|
Ингредиент чтобы высвободить безграничную энергию
|
|
|
|
В прошлом месяце термоядерный реактор в Китае успешно удерживал стационарную плазму в течение более 17 минут, что еще на один шаг приблизило человечество к получению безграничного источника энергии, говорится в пресс-релизе Китайской академии наук. Экспериментальный сверхпроводящий токамак в Хэфэе является одним из 40 термоядерных реакторов, разрабатываемых по всему миру. Все они пытаются воссоздать энергию Солнца здесь, на Земле. По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), организации Объединенных Наций, которая содействует мирному использованию ядерных технологий, термоядерный реактор может вырабатывать почти в четыре миллиона раз больше энергии, чем при сжигании нефти или угля.
|
|
|
|
Плазма, газообразное скопление положительных ионов и блуждающих электронов, является четвертым состоянием вещества и обеспечивает синтез звезд. Но в термоядерном реакторе температура плазмы должна достигать 180 миллионов градусов по Фаренгейту, что примерно в 10 раз горячее, чем на Солнце. Газы настолько горячи, что электроны освобождаются от своей привязанности к атомным ядрам - плотной области, содержащей протоны и нейтроны в центре атомов. Затем два ядра сталкиваются друг с другом и сливаются в одно, более тяжелое ядро. Каждый раз, когда происходит это слияние, высвобождается колоссальное количество энергии. По данным МАГАТЭ, всего несколько граммов дейтерия и трития — атомов водорода, которые содержат дополнительные нейтроны и которые могли бы питать токамаки, — могут произвести тераджоуль энергии. Это примерно то, что требуется одному человеку в развитой стране в течение шестидесяти лет.
|
|
|
|
|
|
|
Но термоядерные реакции не будут устойчивыми до тех пор, пока ученые не придумают, как поддерживать стабильность плазмы.
|
|
|
|
Присущий плазме электрический заряд, состоящий из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, означает, что если плазма соприкасается с чем–либо, она охлаждается и распадается на части, как вода из лопнувшего воздушного шарика. Чтобы обеспечить управляемые термоядерные реакции, полые реакторы в форме пончика, называемые токамаками, содержат мощные магниты, которые ограничивают и сжимают поток плазмы, прежде чем закрутить ее вокруг токамака, чтобы запустить термоядерную реакцию. Если ученые добьются такой стабильности плазмы в течение достаточно длительного времени, каждая термоядерная реакция сможет обеспечить достаточное количество тепла для запуска следующей, создавая вечный цикл выработки энергии — конечную цель термоядерного двигателя с нулевым содержанием углерода.
|
|
|
|
До сих пор у нас не было магнитных полей, которые были бы одновременно мощными и достаточно малыми, чтобы поддерживать реакцию дольше нескольких миллиардных долей секунды.
|
|
|
|
Недавно исследователи из Tokamak Energy в Великобритании протестировали новую технологию создания сверхпроводников, которая может стать прорывной для токамаков, пытающихся удержать плазму. Сверхпроводник - это материал, который при охлаждении до определенной температуры может проводить электричество с нулевыми потерями энергии. Поскольку сверхпроводник практически не обладает электрическим сопротивлением, он может обеспечить магнетическое воздействие, удерживающее плазму на месте. Британские исследователи прикрепили тонкий слой переохлажденного редкоземельного оксида меди бария, известного как REBCO, к металлической медной ленте, которую они намотали сотни раз. Затем они пропустили через обмотки электрический ток в 1000 ампер, создав модель сверхпроводящей тороидальной катушки возбуждения. Эта мощная компактная катушка возбуждения используется для создания чрезвычайно мощного магнитного поля в термоядерном реакторе. Компания Tokamak Energy надеется принять участие в торгах на британский сферический токамак для производства электроэнергии, который призван стать практической демонстрацией термоядерного реактора.
|
|
|
|
Ученые из Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института совместно с Commonwealth Fusion Systems, крупнейшей в мире коммерческой термоядерной энергетической компанией, разработали технологию REBCO. Это вещество, похожее на керамику, становится сверхпроводником при температуре -424 градуса по Фаренгейту, что является легко достижимой температурой по сравнению с абсолютным нулем или -460 градусами по Фаренгейту, требуемыми для обычных сверхпроводников. Все, что требуется для охлаждения, - это жидкий азот. Ученые, исследующие свойства REBCO, считают, что это может сделать ядерный синтез практичным, поскольку он создает сильное магнитное поле в более компактном высокотемпературном токамаке.
|
|
|
|
Исследователь Массачусетского технологического института Зак Хартвиг, доктор философии, работает над программой создания сверхпроводниковых технологий - реактором SPARC. По сравнению с предыдущим поколением сверхпроводников, “REBCO открывает возможности для значительного улучшения производительности токамаков и их проектирования”, - пишет Хартвиг в электронном письме.
|
|
|
|
Достижение устойчивого термоядерного синтеза - это достижение больших и малых результатов в области энергосбережения.
|
|
|
|
Технология SPARC может быть примерно в 33 раза меньше, чем давно обещанный Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER), строительство которого из-за дороговизны откладывается на 10 лет. Это означает, что SPARC в целом будет использовать меньше материалов и энергии для работы, создавая компактный и эффективный токамак. И хотя требования REBCO к температуре не сильно отличаются от требований к обычным сверхпроводящим материалам, небольшая разница существенна, говорит Хартвиг. Во-первых, охлаждать магниты гораздо проще, поскольку максимальная теплопроводность достигается при температуре жидкого азота. В то же время теплоемкость увеличивается примерно в 80 раз, что позволяет магнитам выдерживать большее количество теплового излучения внутри токамака. Эта способность поглощать больше тепла также помогает компенсировать любые дефекты или эксплуатационные ошибки, объясняет Хартвиг.
|
|
|
|
Благодаря высокой прочности, REBCO теоретически позволит создавать магнитные системы, которые при необходимости можно будет быстрее разбирать и заменять. “Технические проблемы остаются нерешенными, но первые кабели и магниты REBCO продемонстрировали эту важную способность”, - говорит Хартвиг.
|
|
|
|
По-прежнему существуют препятствия, которые необходимо преодолеть, поскольку ученые продолжают путь к устойчивой термоядерной энергетике. Следующие важные этапы исследований включают в себя проверку того, что плазма может выделять достаточно тепла в результате термоядерного синтеза, чтобы обеспечить энергию для поддержания необходимых высоких температур.
|
|
|
|
И проблема тепловыделения до сих пор не решена. Чрезмерное тепло должно рассеиваться и излучаться в сторону от стенок камеры токамака, чтобы защитить материалы реактора. Наконец, ученым необходимо изучить материалы, необходимые для создания экспериментальных термоядерных установок, и то, как установка может эволюционировать с течением времени. Вполне вероятно, что исследователям потребуется открыть и разработать новые материалы, говорит Хартвиг.
|
|
|
|
REBCO должен открыть путь к следующим шагам. Трудно точно предсказать, когда на Земле появится действующий термоядерный источник энергии. Но, по прогнозам МАГАТЭ, мы могли бы начать получать практические результаты от работающего прототипа реактора уже в 2040 году.
|
|
|
|
Источник
|
