» » Вся міць термоядерного палива: революція в енергетиці вже на порозі

Вся міць термоядерного палива: революція в енергетиці вже на порозі

Вся міць термоядерного палива: революція в енергетиці вже на порозі

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) спільно з колегами з США і Брюсселя розробили новий тип термоядерного палива. З його допомогою можна отримати в десять разів більше енергії, ніж з усіх існуючих зразків. Нове паливо містить три види іонів - частинок, заряд яких змінюється в залежності від втрати або придбання електрона. Для вивчення палива використовується токамак - тороїдальна камера для магнітного утримання плазми, що створює умови для керованого термоядерного синтезу. Експерименти з новинкою проводяться на базі токамака Alcator C-Mod, що належить MIT, який забезпечує найвищу напруга магнітного поля і тиск плазми під час випробувань.

Секрет нового палива

Alcator C-Mod останній раз був запущений ще в вересні 2016 року, але дані, отримані в результаті проведених експериментів, були розшифровані лише недавно. Саме завдяки їм вченим і вдалося розробити новий, унікальний тип термоядерного палива, значно збільшує енергію іонів в плазмі. Результати були настільки обнадійливими, що дослідники, що працюють на Об'єднаному європейському торі (JET, ще один сучасний токамак) в Оксфордширі, США, провели власний експеримент і досягли такого ж збільшення вироблення енергії. Дослідження, в якому докладно представлені результати роботи, було недавно опубліковано в Nature Physics.

Ключем до підвищення ефективності ядерного палива було додавання незначної кількості гелію-3 - стабільного ізотопу гелію, який замість двох нейтронів володіє лише одним. Ядерне паливо, яке використовується в Alcator C-Mod, раніше містило тільки два типи іонів, іони дейтерію і водню. Дейтерій, стабільний ізотоп водню з одним нейтроном ядрі (у звичайного водню нейтронів немає зовсім), займає близько 95% від загального складу палива.

Токамак JET: вид зсерединиТокамак JET: вид зсередини

Токамак JET: вид зсередини


Дослідники з Центру плазми і синтезу MIT (PSFC) використовували радіочастотний нагрів для того, щоб запалити паливо, що утримується в формі суспензії промисловими магнітами. Цей метод заснований на використанні антен поза токамака, які впливають на паливо за допомогою радіохвиль певних частот. Вони калибруются так, щоб вражати лише матеріал, кількість якого в суспензії менше всіх інших (в даному випадку це водень). Водень володіє лише малою часткою від загальної щільності палива, а тому фокусування радіочастотного нагріву на його іони дозволяє досягти екстремально високих температур. Збуджені іони водню потім взаємодіють з іонами дейтерію, і отримані в результаті з взаємодії частинки бомбардують зовнішню оболонку реактора, виділяючи величезну кількість тепла і електроенергії.

А що ж гелій-3? У новому паливі його менше 1%, але саме його іони відіграють вирішальну роль. Сфокусувавши радіочастотний нагрів на настільки незначній кількості речовини, дослідники підняли енергію еонів до рівня мегаелектроноволь (МеВ). Електроновольт - це кількість енергії, отримане \ втрачене в результаті переходу електрона від однієї точки електричного потенціалу на рівень в 1 вольт вище. До сих пір мегаелектронвольт в експериментах з термоядерним пальним були лише межею мрій вчених - це на порядок більше, ніж енергія всіх зразків, отриманих досі.

Токамак: дослідження термоядерних реакцій



Alcatre C-Mod і JET є експериментальні камери термоядерного синтезу з можливістю досягнення тих же плазмових тисків і температур, які будуть потрібні в повномасштабному реакторі синтезу. Варто відзначити, втім, що вони менше за розмірами і не дають того, що дослідники називають «активованим синтезом» - синтезу, енергія якого безпосередньо перетворюється в енергію, яку можна використовувати для інших потреб. Тонка настройка складу палива, частоти радіохвиль, магнітних полів та інших змінних в цих експериментах дозволяють дослідникам ретельно вибрати найбільш ефективний процес синтезу, який потім можна буде відтворити в промисловому масштабі.

Як вже було сказано, американським вченим, що працюють на JET, вдалося не просто досягти тих же результатів, але і порівняти їх з роботою західних колег, в результаті чого наукове співтовариство отримало унікальні дані вимірювань різних властивостей неймовірно складних реакцій, що відбуваються в перегрітій плазмі. У MIT дослідники використовували метод отримання зображень реакції за допомогою фазово-контрастної мікроскопії, завдяки якому фази електромагнітних хвиль трансформуються в контраст інтенсивності. У свою чергу, вчені JET володіли можливістю більш точно вимірювати енергію отриманих частинок, і в результаті картина того, що відбувається під час реакцій синтезу, вийшла найбільш повною.

Ядерний синтез: революція в енергетиці

Що це означає для нас з вами? Як мінімум значний прорив в технологічній сфері. Ядерний синтез, поставлений на потреби промисловості, може зробити революцію у виробництві енергії. Його енергетичний потенціал неймовірно високий, а паливо складається з найпоширеніших елементів у Сонячній системі - водню і гелію. До того ж, після згоряння термоядерного палива не утворюється небезпечних для екології і людини відходів.

Як зазначає Nature, результати цих експериментів також допоможуть астрономам краще зрозуміти роль гелію-3 в сонячної активності - адже сонячні спалахи, що несуть загрозу для земної енергетики та навколоземних супутників, є ні що інше, як результат протікання термоядерної реакції з колосальним тепловим і електромагнітним випромінюванням.

Джерело: Популярна механіка

Neonila Головні редактори

Автор: Неоніла Семенюк

Про автора: Вчитель фізики Широківської ЗШ І-ІІІ ступенів
Переможець конкурсу "Вчитель-новатор 2016"

Коментарів поки ще немає, додайте свій!

Ваш аватар
Ви ввішли як Гість   
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent