Ядерный синтез может высвободить еще больше энергии, чем думали ученые

Будущие термоядерные реакции в токамаках могут производить гораздо больше энергии, чем считалось ранее, благодаря новому революционному исследованию, которое показало, что основополагающий закон для таких реакторов был неверен.

Исследование, проведенное под руководством физиков из Швейцарского центра плазмы при Федеральной политехнической школе Лозанны (EFPL), показало, что максимальная плотность водородного топлива примерно в два раза превышает "предел Гринвальда" - оценку, полученную в результате экспериментов более 30 лет назад.

Открытие того, что термоядерные реакторы действительно могут работать с плотностью водородной плазмы, значительно превышающей предел Гринвальда, для которого они созданы, повлияет на работу массивного токамака ИТЭР, строящегося на юге Франции, и значительно повлияет на проекты преемников ИТЭР, называемых термоядерными реакторами демонстрационной электростанции (DEMO), сказал физик Паоло Риччи из Швейцарского центра плазмы.

"Точное значение зависит от мощности", - сказал Риччи в интервью Live Science. "Но, по грубой оценке, увеличение будет порядка двух раз в ИТЭР".

Риччи является одним из руководителей исследовательского проекта, который объединил теоретическую работу с результатами примерно годичных экспериментов на трех различных термоядерных реакторах в Европе - токамаке EPFL с изменяемой конфигурацией (TCV), объединенном европейском торе (JET) в Кулхэме (Великобритания) и токеамаке ASDEX (Axially Symmetric Divertor Experiment) Upgrade в Институте физики плазмы Макса Планка в Гархинге (Германия).

Он также является одним из ведущих авторов исследования об этом открытии, опубликованного 6 мая в журнале Physical Review Letters.

Термоядерный синтез будущего 

Токамаки в форме пончика - одна из наиболее перспективных конструкций реакторов ядерного синтеза, которые однажды могут быть использованы для выработки электроэнергии в электросетях.

Ученые уже более 50 лет работают над тем, чтобы сделать управляемый термоядерный синтез реальностью; в отличие от деления ядер, при котором энергия получается при разрушении очень больших атомных ядер, ядерный синтез может генерировать еще больше энергии, соединяя вместе очень маленькие ядра.

При термоядерном синтезе образуется гораздо меньше радиоактивных отходов, чем при делении, а богатый нейтронами водород, который используется в качестве топлива, сравнительно легко получить.

Этот же процесс питает такие звезды, как Солнце, поэтому управляемый термоядерный синтез называют "звездой в банке"; но поскольку очень высокое давление в сердце звезды недостижимо на Земле, для протекания термоядерных реакций здесь требуется температура выше, чем на Солнце.

Температура внутри токамака TCV, например, может превышать 216 миллионов градусов по Фаренгейту (120 миллионов градусов Цельсия) - почти в 10 раз выше температуры термоядерного ядра Солнца, которая составляет около 27 миллионов градусов по Фаренгейту (15 миллионов градусов Цельсия).

Несколько проектов термоядерной энергетики сейчас находятся на продвинутой стадии, и некоторые исследователи считают, что первый токамак для выработки электроэнергии для электросетей может заработать к 2030 году, сообщал ранее Live Science.

Более 30 правительств мира также финансируют токамак ИТЭР ("итер" в переводе с латинского означает "путь"), который должен произвести первую экспериментальную плазму в 2025 году.

ITER, однако, не предназначен для выработки электроэнергии, но токамаки на основе ITER, которые будут это делать, называемые реакторами DEMO, сейчас разрабатываются и могут заработать к 2051 году.

Проблемы с плазмой

В основе новых расчетов лежит предел Гринвальда, названный в честь физика из Массачусетского технологического института Мартина Гринвальда, который определил этот предел в 1988 году.

Исследователи пытались выяснить, почему их термоядерная плазма становится фактически неуправляемой (расширяется за пределы магнитных полей, в которых она находится внутри камеры токамака), когда они увеличивают плотность топлива выше определенного предела, и Гринвальд вывел экспериментальный предел, основанный на малом радиусе токамака (размер внутренней окружности пончика) и количестве электрического тока, проходящего через плазму.

Хотя ученые давно подозревали, что предел Гринвальда можно улучшить, он был основополагающим правилом исследований термоядерного синтеза на протяжении более 30 лет, сказал Риччи. Например, это руководящий принцип проекта ИТЭР.

Последнее исследование, однако, расширяет как эксперименты, так и теорию, которые Гринвальд использовал для выведения своего предела, в результате чего получается гораздо более высокий предел плотности топлива, который увеличит мощность ИТЭР и повлияет на проекты реакторов DEMO, которые появятся после него, сказал он.

Ключевым было открытие того, что плазма может поддерживать большую плотность топлива по мере увеличения мощности термоядерной реакции, сказал он.

Пока невозможно сказать, как такое значительное увеличение плотности топлива повлияет на выходную мощность токамаков, сказал Риччи, но, скорее всего, оно будет значительным; кроме того, исследования показывают, что большая плотность топлива облегчит эксплуатацию термоядерных реакторов.  

"Это облегчает достижение безопасных, устойчивых условий термоядерного синтеза", - сказал он. "Это позволяет достичь нужного режима, чтобы термоядерный реактор мог работать должным образом".