Новое исследование открывает путь к компактным термоядерным электростанциям
Магнитная клетка удерживает горячую плазму с температурой более 100 миллионов градусов по Цельсию в устройствах ядерного синтеза на расстоянии от стенки сосуда, чтобы она не плавилась. Исследователи из Института физики плазмы им. Макса Планка (IPP) нашли способ значительно сократить это расстояние. Это может позволить построить меньшие и более дешевые термоядерные реакторы для производства энергии. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Международный экспериментальный реактор ITER, который в настоящее время строится на юге Франции, представляет собой передовой способ получения энергии на термоядерной электростанции. Конструкция соответствует принципу токамака: термоядерная плазма с температурой более 100 миллионов градусов удерживается в магнитном поле, имеющем форму пончика. Эта концепция предотвращает контакт горячей плазмы с ограждающей стенкой и ее повреждение. Эксперимент на токамаке ASDEX Upgrade в IPP в Гархинге недалеко от Мюнхена служит образцом для ITER и более поздних термоядерных электростанций.
Центральным элементом ASDEX Upgrade и всех современных установок магнитного синтеза является дивертор. Это часть стенки сосуда, которая отличается особой термостойкостью и требует сложной конструкции.
— профессор Ульрих Штрот, глава отдела плазменных кромок и стен в IPP.
Без контрмер 20% термоядерной мощности плазмы достигло бы поверхностей дивертора. Приблизительно 200 мегаватт на квадратный метр, это примерно те же условия, что и на поверхности Солнца. Однако дивертор в ITER, а также будущие термоядерные электростанции смогут выдерживать максимум 10 мегаватт на квадратный метр. По этой причине в плазму добавляют небольшие количества примесей (часто азота). Они извлекают большую часть тепловой энергии, преобразовывая ее в ультрафиолет. Тем не менее край плазмы необходимо держать на расстоянии от дивертора, чтобы защитить его. В обновлении ASDEX до сих пор это расстояние было не менее 25 сантиметров.
Ученым из IPP удалось сократить это расстояние до менее чем 5 сантиметров.
— доктор Матиас Бернерт.
По признанию ученых, в открытии им помог случай:
— физик IPP доктор Тилманн Лант.
Результаты исследования приводит к выводам, которые могут оказаться очень благоприятными для строительства будущих термоядерных электростанций:
Диверторы могут быть меньше и технологически намного проще, чем раньше. Поскольку плазма перемещается ближе к дивертору, объем вакуумной камеры может быть использован оптимальнее. Первоначальные расчеты показывают, что если бы сосуд имел оптимальную форму, то можно было бы практически удвоить объем плазмы при сохранении тех же размеров. Это также увеличило бы достижимую мощность термоядерного синтеза. Но исследователям сначала предстоит проверить это в дальнейших экспериментах.
Кроме того, использование излучателя с X-point также помогает против краевых локализованных мод (ELM): сильных энергетических выбросов на краю плазмы, которые повторяются через равные промежутки времени и выбрасывают около десятой части энергии плазмы к стенке. Для ITER и других реакторов такие выбросы фатальны.
— директор IPP Ульрих Штрот.
Гархингский токамак скоро будет идеально оборудован для этого: к лету 2024 года он будет оснащен новым верхним дивертором. Специальные катушки позволят свободно деформировать магнитное поле вблизи дивертора и, таким образом, оптимизировать условия для излучателя X-point.
Международный экспериментальный реактор ITER, который в настоящее время строится на юге Франции, представляет собой передовой способ получения энергии на термоядерной электростанции. Конструкция соответствует принципу токамака: термоядерная плазма с температурой более 100 миллионов градусов удерживается в магнитном поле, имеющем форму пончика. Эта концепция предотвращает контакт горячей плазмы с ограждающей стенкой и ее повреждение. Эксперимент на токамаке ASDEX Upgrade в IPP в Гархинге недалеко от Мюнхена служит образцом для ITER и более поздних термоядерных электростанций.
Горячая плазма может быть ближе к дивертору
Центральным элементом ASDEX Upgrade и всех современных установок магнитного синтеза является дивертор. Это часть стенки сосуда, которая отличается особой термостойкостью и требует сложной конструкции.
В дивертор поступает тепло от плазмы на стене. В более поздних электростанциях продукт синтеза гелий-4 также будет извлекаться там» «В этом регионе нагрузка на стену особенно высока. Таким образом, диверторные плитки ASDEX Upgrade, а также ITER сделаны из вольфрама, химического элемента с самой высокой температурой плавления (3422°C)
— профессор Ульрих Штрот, глава отдела плазменных кромок и стен в IPP.
Без контрмер 20% термоядерной мощности плазмы достигло бы поверхностей дивертора. Приблизительно 200 мегаватт на квадратный метр, это примерно те же условия, что и на поверхности Солнца. Однако дивертор в ITER, а также будущие термоядерные электростанции смогут выдерживать максимум 10 мегаватт на квадратный метр. По этой причине в плазму добавляют небольшие количества примесей (часто азота). Они извлекают большую часть тепловой энергии, преобразовывая ее в ультрафиолет. Тем не менее край плазмы необходимо держать на расстоянии от дивертора, чтобы защитить его. В обновлении ASDEX до сих пор это расстояние было не менее 25 сантиметров.
Радиатор X-point: новые возможности для конструкции термоядерного реактора
Ученым из IPP удалось сократить это расстояние до менее чем 5 сантиметров.
Для этого мы используем X-point-радиатор — явление, которое мы обнаружили около десяти лет назад во время экспериментов на ASDEX Upgrade. X-point возникает в магнитных клетках особой формы, когда количество добавленного азота превышает определенное значение. Это приводит к образованию небольшого плотного объема, который особенно сильно излучает в УФ-диапазоне. Такие примеси дают нам несколько худшие свойства плазмы, но если мы установим излучатель X-point в фиксированное положение, изменяя подачу азота, мы сможем проводить эксперименты на более высокой мощности, не повреждая устройство
— доктор Матиас Бернерт.
По признанию ученых, в открытии им помог случай:
Мы случайно переместили край плазмы намного ближе к дивертору, чем планировали. Мы были очень удивлены, что ASDEX Upgrade без проблем справился с этим. Поскольку эффект может быть подтвержден в дальнейших экспериментах, исследователи теперь знают: при наличии X-point, значительно большая часть тепловой энергии преобразуется в УФ-излучение, чем предполагалось ранее. При этом плазма излучает до 90% энергии во всех направлениях
— физик IPP доктор Тилманн Лант.
Термоядерные электростанции могут быть компактнее и дешевле
Результаты исследования приводит к выводам, которые могут оказаться очень благоприятными для строительства будущих термоядерных электростанций:
Диверторы могут быть меньше и технологически намного проще, чем раньше. Поскольку плазма перемещается ближе к дивертору, объем вакуумной камеры может быть использован оптимальнее. Первоначальные расчеты показывают, что если бы сосуд имел оптимальную форму, то можно было бы практически удвоить объем плазмы при сохранении тех же размеров. Это также увеличило бы достижимую мощность термоядерного синтеза. Но исследователям сначала предстоит проверить это в дальнейших экспериментах.
Кроме того, использование излучателя с X-point также помогает против краевых локализованных мод (ELM): сильных энергетических выбросов на краю плазмы, которые повторяются через равные промежутки времени и выбрасывают около десятой части энергии плазмы к стенке. Для ITER и других реакторов такие выбросы фатальны.
Излучатель X-point открывает для нас совершенно новые возможности в разработке силовой установки. Мы будем дальше исследовать теорию, лежащую в его основе, и попытаемся лучше понять ее с помощью новых экспериментов на ASDEX Upgrade
— директор IPP Ульрих Штрот.
Гархингский токамак скоро будет идеально оборудован для этого: к лету 2024 года он будет оснащен новым верхним дивертором. Специальные катушки позволят свободно деформировать магнитное поле вблизи дивертора и, таким образом, оптимизировать условия для излучателя X-point.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Таинственная «дверь» обнаружена в Антарктиде
Теория заговора против официальной науки: кто окажется прав?...
15 000 американских городов станут призраками в ближайшие десятилетия
Ученые уверены, что «там просто некому будет жить»....
Не по вкусу: комары пьют кровь не у всех подряд
Полезно понимать для защиты от опасных насекомых....
НЛО управляют армией беспилотников, которые следят за военными базами США
Загадочные дроны буквально терроризируют американских военных летчиков....
Странный случай: укус змеи подействовал на австралийца спустя 15 часов
Только 10% укушенных на самом деле получают дозу яда....
Собаки поднялись на новую ступень эволюции
Третья стадия одомашнивания — что это значит?...
20 млн жителей США могут остаться без воды
Великие озера поразила небывалая засуха....
Первые оседлые люди в Европе: в Сербии обнаружили дом возрастом 8000 лет
Обгорелое жилище перевернуло представления о ранних поселенцах....
Вспененный гель быстро останавливает кровотечение и снижает риск заражения
Учёные изобрели спасающую жизнь «повязку»....
Кошки могут понимать многие слова
Но для экспериментов голос хозяина произносил бессмыслицу....
Google срочно переходит на атомную энергию
АЭС опасны, но у Америки просто нет выхода....
Первая частная космическая станция появится на орбите в 2025 году
Комплекс, созданный с учетом проблем астронавтов, потянул на миллиард долларов....
Американские ученые отрицают ускорение глобального потепления
Формально, так и есть, но это ещё не всё....
Окаменелости в Индии рассказали о самом раннем случае разделки слонов людьми
Это произошло не менее 300 тысяч лет назад....
Детекторы ИИ ложно обвинили студентов в плагиате
Ничто не ново на всё 100%....
Режиссер фильма «Я, робот» утверждает, что Илон Маск крадет его идеи
Смех смехом, но новые проекты Маска удивительно похожи на кадры из фильма....