Что такое ядерный синтез и токамак
В отличие от традиционной ядерной энергетики, которую мы используем сейчас и которая делит ядро, ядерный синтез заставляет ядра атомов наоборот сливаться, высвобождая большое количество энергии. Этот процесс требует интенсивного нагрева и высокого давления, похожих на те, присутствующие в звездах. Поскольку мы не можем обеспечить достаточно высокое давление на Земле, мы должны компенсировать это повышением температуры. Для того чтобы это сделать и не расплавить все вокруг, используются специальные реакторы-токамаки.
Токамак — это особый тип реактора ядерного синтеза, который использует токи для прогона плазмы через большое полое кольцо. Магнитные поля внутри удерживают это горячее облако заряженных частиц подальше от стенок реактора, ведь раскаленная плазма склонна к нестабильности. Она очень сильно зависит от строгого ограничения плотности электронов. Более высокая плотность приведет к большему количеству реакций и большему количеству энергии.
Смотрите также Ученые визуализировали то, что происходит внутри термоядерного реактора во время синтеза
Что сделали ученые
Благодаря усилиям команды исследователей из Университета Висконсина ранее теоретически предусмотренный барьер для термоядерного синтеза в токамаках, известный как предел Гринвальда, был преодолен в десять раз. Хотя механизмы, стоящих за этим пределом плотности электронов, все еще недостаточно изучены, правило устанавливает максимально возможную плотность в нагретой плазме.
Наличие надежного способа преодолеть этот предел означает, что мы можем сделать большой шаг в стабильности и эффективности термоядерного реактора, приближая день, когда ядерный синтез может стать практической реальностью.
Здесь представлены эксперименты на токамаке с плотностью электронов, превышающей предел Гринвальда до десяти раз в стабильных условиях, что является беспрецедентным,
– пишут исследователи в своей опубликованной статье.
Команда сама точно не знает, как она это сделала, но считает, что преодолеть пределы этой плотности помогли две ключевые характеристики токамака: толстые проводящие стенки (для стабилизации магнитных полей, которые манипулируют плазмой) и источник питания, который можно регулировать на основе обратной связи (опять же, критически важно для стабильности).
"Максимальная плотность, похоже, устанавливается аппаратными ограничениями, а не нестабильностью плазмы", – пишут исследователи.
Они использовали для своего эксперимента более мощный реактор, чем другие ученые, – он называется "Симметричный тор Мэдисона". Судя по всему, это означает, что предел Гринвальда был актуальным только для того реактора, на котором он был рассчитан, а для других реакторов он другой – его придется рассчитывать для каждой установки отдельно. Это также означает, что мы сможем фактически строить реакторы, подстраиваясь под желаемый предел Гринвальда: если нужно больше энергии – строи реактор с соответствующими характеристиками.
Остаются вопросы о том, почему именно "Симметричный тор Мэдисона" способен работать с высоким показателем [предела] Гринвальда, и до какой степени эта способность может быть распространена на более производительные устройства,
– пишут авторы.
Смотрите также Крупнейший в мире термоядерный реактор ITER наконец завершен, но есть проблема
Надо еще подождать
Это не означает, что ядерный синтез будет готов к использованию в ближайшее время. Перед учеными лежат еще немало проблем и ограничений, которые нужно будет устранить. Но это еще одна победа термоядерного синтеза на токамаках в череде недавних успехов.
Последние несколько лет ученые были заняты строительством более крупных реакторов, увеличением энергии, которую они производят, повышением продолжительности удерживания реакции и достижением более высоких температур для протекания реакций.