11 марта 2020

Лед назвали идеальным "топливом" для термоядерного реактора

Корейский сверхпроводящий токамак

Физики доказали, что эффективность экспериментального термоядерного реактора ИТЭР и последующих энергоустановок такого рода будет значительно выше, если в качестве топлива для него использовать лед, а не газообразный водород. Результаты расчетов ученых опубликовал научный журнал Nuclear Fusion.

"Как правило, современные эксперименты по термоядерному синтезу контролируют температуру и плотность плазмы внутри установок, вдувая новые порции газа. Эффективность этого процесса сильно зависит от толщины "выхлопного" слоя плазмы, через который должны пробраться новые нейтральные атомы. Это снижает плотность плазмы и КПД работы реактора", – пишут ученые.

За последние полвека физики разработали несколько разных подходов к созданию термоядерных реакторов. С практической точки зрения наиболее перспективны два их типа – токамаки и стеллараторы. Принцип работы у обоих типов схож: в них плазма, разогретая до сверхвысоких температур, удерживается внутри реактора не физическиим преградами, а с помощью магнитных полей.

Принцип работы токамаков и стеллараторов расходится в характере работы этих магнитных ловушек. В токамаках они удерживают материю за счет того, что через плазму проходит электрический ток, который заставляет ее сжиматься внутри магнитных полей. В стеллараторах раскаленную материю удерживают исключительно магнитные катушки, из-за чего она похожа по форме на "мятый бублик".

Токамаки пока находятся значительно ближе к практической реализации, в том числе за счет проекта международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, который уже несколько десятилетий строится во Франции при участии ученых из России, ЕС, США, Китая и других стран. Как надеются ученые, ИТЭР станет первой установкой, которая сможет произвести в десять раз больше энергии, чем было затрачено на проведение термоядерного синтеза.

Лед и плазма

Международный коллектив физиков под руководством Эгемена Колемена, профессора Принстонского университета (США), уже несколько лет проводят эксперименты на токамаке DIII-D. Они проверяют работу одного из ключевых компонентов будущего ИТЭР – системы ввода топлива в реактор.

Дело в том, что создатели ИТЭР планируют использовать для этих целей не только традиционные газовые инжекторы, через которые внутрь вакуумной камеры вводится смесь из двух изотопов тяжелого водорода – дейтерия и трития, – но и специальную ледяную "пушку". Она будет разгонять микроскопические гранулы льда до скорости в километр в секунду и вводить их внутрь облака из плазмы. Теоретики предполагают, что таким образом можно будет повысить КПД установки.

Колемен и его коллеги проверили эту гипотезу на практике, сравнив, как меняется плотность плазмы внутри токамака, а также другие важнейшие параметры его работы при вводе внутрь токамака DIII-D новых порций дейтерия и трития и тем, и другим способом. Замеры показали, что температура и плотность плазмы изначально росли, а затем в центре токамака начинали падать, если термоядерное топливо вводилось в него в газообразном состоянии. Это было связано с тем, что движению свежих порций трития и водорода мешал особый "выхлопной" слой плазмы, который окружает ту ее часть, где происходят термоядерные реакции.

В противоположность этому КПД работы токамака не падал, если ученые "обстреливали" плазменный бублик при помощи микрогранул льда. Причем на практике подобный способ доставки топлива в токамак оказался несколько эффективнее, чем предсказывала теория. Все это, как считают ученые, доказывает, что замороженная вода лучше всего подходит для работы на ИТЭР и более крупных термоядерных реакторах будущего.