СМИ 22 мая 2018

"Свист молний" спасёт термоядерные реакторы от разрушения

Физики обнаружили в термоядерных реакторах типа токамак так называемые волны свиста (whistlers). Учёные надеются использовать это явление, чтобы предотвращать повреждение стенок реактора быстрыми электронами. Это поможет устранить одно из препятствий, мешающих человечеству овладеть экологически чистой и почти бесплатной энергией.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters группой во главе с Дональдом Спонгом (Donald Spong) из Национальной лаборатории Ок-Ридж в США.

Поясним, что волны свиста – это радиоволны, имеющие характерный механизм появления, в тонкости которого мы вдаваться не будем. В естественных условиях они образуются при грозовых разрядах. В этом случае волны свиста по частоте похожи на высокий звук, который в состоянии уловить человеческое ухо (единицы килогерц). Этим они отличаются от излучения искусственных радиостанций, частота которого гораздо выше (например, в так называемом FM-диапазоне – около ста мегагерц). Если преобразовать такой радиосигнал в звук с помощью подходящего приёмника, из динамиков раздастся свист. Отсюда и название.

Теоретики давно пришли к выводу, что в плазме токамаков возникают волны свиста, и рассчитали их характеристики. Однако до сей поры их не удавалось обнаружить экспериментально.

Источником этих волн служат так называемые убегающие электроны (runaway electrons). В горячей плазме термоядерного реактора, окружённой мощным магнитным полем, они приобретают огромную по меркам частиц энергию в многие мегаэлектронвольты. Этот факт является головной болью для инженеров, так как разогнавшиеся частицы сбегают из магнитной ловушки и врезаются в стенки реактора, повреждая их.

Частота радиосигнала, обнаруженного группой Спонга, оказалась намного выше, чем у звука: 100–200 мегагерц. Впрочем, это и предсказывалось теоретиками, ведь условия в термоядерном реакторе и при грозовом разряде серьёзно отличаются.

Исследователи тщательно проверили гипотезу, что перед ними именно волны свиста. Сигнал реагировал на изменение напряжённости магнитного поля и плотности плазмы в точности так, как это ожидалось для излучения данного типа. Его интенсивность явно была связана с количеством убегающих электронов (его можно измерить по жёсткому рентгеновскому излучению, которое эти частицы генерируют, врезаясь в стенки реактора). Другие характеристики тоже совпали с предсказаниями теоретиков.

Успешное подтверждение теории экспериментом всегда важно и само по себе. Но у открытия есть и практические следствия. Как поясняет издание Live Science, волны свиста можно использовать для укрощения убегающих электронов.

Действительно, предоставленные самим себе, частицы разгоняются и часть своей энергии передают излучаемым волнам. Но этот процесс можно обратить вспять. Если генерировать излучение с подходящими характеристиками и направлять его на плазму, оно будет замедлять электроны и не давать им убегать.

Таким путём можно предотвратить повреждение стенок реактора и устранить ещё одну проблему на пути к промышленному термоядерному реактору. Это своего рода Святой Грааль, манящий человечество уже более полувека. Ещё бы: в качестве топлива можно использовать изотоп водорода дейтерий, извлекаемый из самой обычной воды. А о том, сколько энергии получится в результате, яркое во всех смыслах представление даёт водородная бомба. Кроме того, такой реактор не создаст никаких радиоактивных отходов, которые являются головной больюсовременной энергетики.

Добавим, что многие проблемы человечества решатся сами собой, если у него будет неограниченный доступ к дешёвой энергии. Например, многие регионы страдают от нехватки пресной воды. Это притом что в самой знойной пустыне достаточно пробурить скважину, чтобы добраться до грунтовых вод (их объём может быть весьма ощутимым). Проблема в том, что они зачастую солёные.

Вопрос: как солёную воду сделать пресной? Есть простейший метод, известный с уроков природоведения: выпарить солёную воду и сконденсировать пар. Увы, учитывая цену сжигаемого при этом топлива, пить её после этого смогут только миллионеры. Человечество бьётся над разработкой менее затратных технологий опреснения, однако пока эти разработки далеки от совершенства. Но, если энергия станет практически бесплатной, то и живительная влага тоже. И тогда на месте современных пустынь могут зазеленеть сады.