Вся міць термоядерного палива: революція в енергетиці вже на порозі

Європейські та американські вчені спільно розробили новий тип термоядерного палива, що на порядок перевершує всі існуючі аналоги з енергетичної ефективності. Дослідження проводилися на базі ультрасучасних токамаків Alcator C-Mod і JET.

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 залежно від втрати або придбання електрону. 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 напругу магнітного поля і тиск плазми під час випробувань.

Секрет нового палива

Alcator C-Mod востаннє запустили ще у вересні 2016 року, але дані, отримані в результаті проведених експериментів, розшифрували лише нещодавно. Саме завдяки їм вченим і вдалося розробити новий, унікальний тип термоядерного палива, що значно збільшує енергію іонів у плазмі. Результати були настільки обнадійливими, що дослідники, які 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 викладені результати роботи, було нещодавно 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, що 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: вигляд зсередини

Дослідники з Центру плазми і синтезу MIT (PSFC) використовували радіочастотний нагрів для того, щоб запалити паливо, утримуване у формі суспензії промисловими магнітами. Цей метод заснований на використанні антен поза токамаком, які впливають на паливо за допомогою радіохвиль певних частот. Вони калібруються 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 іонах дозволяє досягти екстремально високих температур. Збуджені іони водню потім взаємодіють з іонами дейтерію, і отримані в результаті із 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, отримана\втрачена в результаті переходу електрона від однієї точки електричного потенціалу на рівень в 1 вольт вище. Досі мегаелектронвольти в експериментах з термоядерним паливом були лише межею мрій вчених - це на порядок більше, ніж енергія всіх зразків, отриманих досі.

Токамак: дослідження термоядерних реакцій

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

Як вже було сказано, американським вченим, які 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 мали можливість 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 у 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 та людини відходів.

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