Ядерный синтез - один из самых перспективных источников энергии завтрашнего дня, особенно в контексте климатического кризиса. Физики из EPFL (Федеральной политехнической школы Лозанны) в рамках крупного европейского сотрудничества недавно пересмотрели один из фундаментальных законов ядерного синтеза, известный как предел Гринвальда. Этот закон был основой исследований плазмы и термоядерного синтеза в течение трех десятилетий, даже определяя дизайн таких мегапроектов, как Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER). Команда физиков обнаружила, что можно удвоить количество водорода, закачиваемого в термоядерный реактор, чтобы получить вдвое больше энергии.
Это открытие пересматривает границы термоядерного синтеза, когда, по мнению некоторых экспертов, первые реакторы для промышленного использования станут рентабельными только в 2040-2050 годах. При ядерном синтезе происходит объединение двух атомных ядер в одно, при этом выделяется большое количество энергии. Именно этот процесс происходит на Солнце. Тепло выделяется при слиянии ядер водорода в более тяжелые атомы гелия.
Во Франции, в департаменте Буш-дю-Рон, 35 стран участвуют в строительстве самого большого токамака из когда-либо созданных, в рамках проекта ИТЭР. Токамак - это экспериментальная установка, предназначенная для использования энергии термоядерного синтеза. В камере токамака энергия, возникающая при слиянии атомных ядер, поглощается стенками вакуумной камеры в виде тепла. Как и обычные электростанции, термоядерная электростанция будет использовать это тепло для производства пара, а затем, с помощью турбин и генераторов, электроэнергии.
Цель ИТЭР - продемонстрировать, что термоядерный синтез - "энергия звезд" - может быть использован в качестве крупномасштабного источника энергии, не выделяющего CO2, для выработки электроэнергии. Его основная задача - создать высокотемпературную плазму, которая обеспечивает идеальную среду для термоядерного синтеза и получения энергии. Результаты научной программы ИТЭР будут иметь решающее значение для создания завтрашних термоядерных установок, вырабатывающих энергию.
В рамках постоянного совершенствования этих реакторов физики EPLF показывают, что можно безопасно использовать больше водорода и, таким образом, получать больше энергии, чем считалось ранее. Этот пересмотр предела Гринвальда будет применен на практике для испытаний в реакторе ИТЭР, когда он будет введен в эксплуатацию. Новое уравнение, обновляющее этот предел, опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Ученые уже более 50 лет работают над достижением жизнеспособного управляемого термоядерного синтеза. В отличие от деления ядер, которое производит энергию путем разрушения очень больших атомных ядер, ядерный синтез может производить гораздо больше энергии, объединяя очень маленькие ядра. Кроме того, процесс термоядерного синтеза создает гораздо меньше (почти не создает) радиоактивных отходов, чем процесс деления, а богатый нейтронами водород, используемый в качестве топлива, относительно легко получить.
Как упоминалось ранее, ядерная реакция здесь идентична той, что происходит на Солнце, с использованием атомов водорода. Однако на Земле невозможно воспроизвести давление в ядре звезды. Это давление необходимо для превращения водорода в плазму - среду, в которой атомы водорода могут сливаться и вырабатывать энергию. Это означает, что газы должны быть нагреты до температуры, в 10 раз превышающей температуру Солнца, т.е. примерно до 150 миллионов градусов Цельсия.
Таким образом, в сердце токамака, который состоит из кольцеобразной вакуумной камеры, водородный газ превращается в плазму под воздействием экстремальной температуры и давления. В камере энергия, возникающая при слиянии атомных ядер, поглощается стенками вакуумной камеры в виде тепла. Для удержания и контроля плазмы используются очень сильные магнитные поля.
В настоящее время несколько проектов по термоядерной энергии находятся на продвинутой стадии. Однако ИТЭР предназначен в первую очередь не для производства электроэнергии, а для проверки пределов производства и определения точных условий для осуществления подобных термоядерных реакций. Однако в настоящее время разрабатываются токамаки на основе ИТЭР, называемые реакторами DEMO, которые могут быть введены в эксплуатацию к 2050 году для производства электроэнергии. Паоло Риччи из Швейцарского центра плазмы (EPFL) объясняет в пресс-релизе:
"Для получения плазмы для термоядерного синтеза необходимо учитывать три элемента: высокую температуру, высокую плотность водорода и хорошее сдерживание".
Именно поэтому одним из ограничений производства плазмы в токамаке является количество водорода, которое может быть введено. Чем выше плотность, тем сложнее поддерживать стабильность образующейся плазмы.
Точнее, чем больше топлива впрыскивается при той же температуре, тем больше охлаждаются некоторые части плазмы, и тем труднее через них протекает ток, что приводит к возмущениям. Паоло Риччи объясняет простыми словами:
"Вы полностью теряете изоляцию, и плазма идет куда угодно. В 1980-х годах мы пытались найти некий закон, который позволил бы нам предсказать максимальную плотность водорода, который можно закачать в токамак. Он был открыт в 1988 году физиком Мартином Гринвальдом и устанавливает корреляцию между плотностью топлива, малым радиусом токамака (радиус внутренней окружности кольца) и током, протекающим в плазме внутри токамака. До сих пор эксперименты с этими машинами подтверждали этот "предел Гринвальда", который лежит в основе стратегии строительства ИТЭР".
Ученые давно подозревали, что предел Гринвальда можно улучшить. Чтобы проверить свою гипотезу, в сотрудничестве с командами из других токамаков Швейцарский центр плазмы разработал и провел революционный эксперимент, используя сложнейшую технологию для точного контроля количества топлива, впрыскиваемого в токамак. Масштабные эксперименты были проведены в крупнейших в мире токамаках - Объединенном европейском торе (JET) в Великобритании, ASDEX Upgrade в Германии (Институт Макса Планка) и токамаке TCV в EPFL.
Параллельно Маурицио Джакомин, аспирант в команде Паоло Риччи, начал анализировать физические процессы, которые ограничивают плотность в токамаках, чтобы установить фундаментальный закон для корреляции плотности топлива и размера токамака. Часть этой работы включала в себя использование усовершенствованного моделирования плазмы с помощью компьютерной модели.
Ключевым было открытие того, что плазма может поддерживать более высокую плотность топлива по мере увеличения мощности термоядерной реакции. Другими словами, токамаки, подобные ITER, могут эффективно использовать почти вдвое больше топлива для производства плазмы, не опасаясь сбоев. Паоло Риччи говорит:
"Этот результат важен, поскольку он показывает, что плотность, которая может быть достигнута в токамаке, увеличивается с ростом мощности, необходимой для его работы. DEMO будет работать на гораздо большей мощности, чем нынешние токамаки и ИТЭР, что означает, что можно добавлять больше плотности топлива без ограничения производства, вопреки предсказаниям закона Гринвальда. И это очень хорошая новость".