Энергия термоядерного синтеза считается большой надеждой человечества. Процессы на Солнце моделируются в специальных реакторах. Итог: почти бесконечная чистая энергия с небольшим количеством радиоактивных отходов или без них.
Как выяснили исследователи, термоядерные реакторы могут генерировать даже больше энергии, чем считалось ранее, сообщает LiveScience. Для этого было пересмотрено основное правило более чем 30-летней давности.
Интересный факт: Первый экспериментальный ядерный реактор, «Чикагская поленница-1» (Chicago pile, CP-1), был построен в 1942 году в Чикаго. Для создания атомной бомбы США требовалась наработка плутония-239, выполняемая путём переработки урана-238. Этот процесс планировалось реализовать с помощью самоподдерживающейся управляемой цепной ядерной реакции. Для проверки возможности осуществления такой реакции и был построен этот реактор. Руководил постройкой «поленницы» итальянский физик Энрико Ферми (Enrico Fermi).
Проблема с плазмой
Атомные электростанции расщепляют свои ядра, а ядерный синтез сплавляет их вместе. Принцип ядерного синтеза соответствует тому, как Солнце и другие звезды излучают энергию.
Для запуска и поддержания ядерного синтеза требуется высокая температура. Для Солнца достаточно 15 млн градусов по Цельсию, потому что ядро звезды находится под высоким давлением. На Земле для этого необходимо 120 млн градусов. Эта горячая плазма уничтожила бы все известные материалы. Поэтому синтез необходимо контролировать с помощью магнитного поля.
Интересный факт: Самая большая АЭС — электростанция Касивадзаки-Карива в префектуре Ниигата, Япония, содержит семь энергоблоков и имеет мощность в 8212 МВт. Первый энергоблок был запущен в 1980 году, последний — в 1994. Станция принадлежит компании Токийской энергетической компании и может обеспечить энергией 16 миллионов домохозяйств.
Формула 30-летней давности
В экспериментах с термоядерной энергией в 1980-х годах исследователи обнаружили, что если добавить слишком много топлива для синтеза, в данном случае водорода, плазма выйдет из-под контроля. Затем плазма прорывается через магнитное поле и повреждает стенки реактора.
Физик Массачусетского технологического института Мартин Гринвальд исследовал это в 1988 году. Используя внутренний диаметр термоядерного реактора токамака и силу потока плазмы, он вывел формулу. Это решение стало известно как предел Гринвальда.
Интересный факт: Речь президента США Эйзенхауэра «Атомы за мир» (Atoms for peace), положила начало концепции «мирного атома». Речь, прочитанная в 1953 году, была частью механизмов пропаганды США, и предназначалась для того, чтобы увеличить лояльность граждан к атомным разработкам.
Этот предел Гринвальда стал основой для исследований в области термоядерной энергии. Многие реакторы преобладающей конструкции токамаков спроектированы и построены с учетом этого ограничения. В том числе реактор ИТЭР, который в настоящее время строится во Франции.
Лимит в два раза выше
Недавнее исследование, проведенное Швейцарским центром плазмы при федеральном технологическом институте в Лозанне, установило, что предел Гринвальда слишком низок.
Соответственно, плотность топлива в плазме могла быть значительно выше. Ключом к этому открытию является то, что плазма может выдерживать более высокие плотности топлива по мере увеличения выходной мощности термоядерного реактора.
Можно ожидать, что производительность удвоится. Еще слишком рано точно определять, насколько выше будет электрическая энергия, которая может быть произведена. По словам исследователей, увеличение является «значительным».
Интересный факт: В 2012-м году был провал в производстве атомной энергии, а потом нарастающий тренд вернулся.
Более высокая плотность топлива означает меньше отказов
Кроме того, по мнению исследователей, более высокая плотность топлива упростит эксплуатацию термоядерного реактора. Это помогает получить желаемую стабильность для поддержания ядерного синтеза.
Новые выводы должны означать следующее: использование наработок в ИТЭР, который, как ожидается, впервые будет генерировать плазму в 2025 году. Однако этот термоядерный реактор пока не предназначен для выработки электроэнергии. На основе исследований ИТЭР планируется построить дополнительные экспериментальные реакторы, которые будут вырабатывать электроэнергию с 2051 года. По словам исследователей, на их конструкции также повлияет новое исследование плотности топлива.
Как устроен термоядерный реактор — интересное видео
