Силата на термоядрена енергия може най-накрая да бъде отключена благодарение на нова актуализация на физиката


В света на възобновяемата енергия може би няма по-амбициозна цел от термоядрената енергия. Това включва сливане на водородни атоми за създаване на хелий – процес, който генерира невероятно количество енергия. Това е реакция, която се случва всеки един момент на слънцето, но възпроизвеждането й на Земята е много по-труден процес. Ако успеем обаче, ще имаме чист източник на възобновяема електроенергия, който отговаря на нашите постоянно нарастващи енергийни нужди.

За тази цел изследователите преследват явление, наречено „запалване“, което е, когато термоядрен реактор генерира повече енергия, отколкото е била необходима за създаване на първоначалната реакция. В ход са няколко големи опита за постигане на тази цел, включително Международния термоядрен експериментален реактор (ITER) във Франция. Това усилие използва мощни магнити в машина, наречена токамак, за да създаде прегрята плазма, създадена с помощта на водородно гориво.

Но в това се крие проблем: има толкова много водородно гориво, което можете да поставите в токамак, преди всичко да започне да се обърка.

„Едно от ограниченията при правенето на плазма в токамак е количеството водородно гориво, което можете да инжектирате в него“, Паоло Ричи, изследовател от Швейцарския плазмен център, се казва в прессъобщение. „Още от първите дни на синтеза знаем, че ако се опитате да увеличите плътността на горивото, в един момент ще има това, което наричаме „прекъсване“ – по същество вие напълно губите ограничаването и плазмата отива навсякъде.“

За да решат този проблем, учените започнаха да изследват различни уравнения за измерване на максималното количество водород, което можете да поставите вътре в токамак преди прекъсване. Един закон, който в крайна сметка се хвана и се превърна в опора в света на изследванията на термоядрения синтез, е известен като „лимитът на Гринуолд“, който казва, че количеството гориво, което може да се използва в токамак, е пряко свързано с радиуса на машината. Изследователите зад ITER дори са построили своята машина въз основа на този закон.

Но дори границата на Гринуолд не беше перфектна.

„Гринуолдската граница е това, което наричаме „емпирична“ граница или закон, което основно означава, че е като правило, базирано на наблюдения, направени върху минали експерименти“, Алекс Зилстра, експериментален физик от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор в Калифорния , каза The Daily Beast в имейл. „Те са много полезни, но винаги трябва да сме внимателни, когато ги прилагаме извън условия, където имаме данни от експерименти.“

Ето защо Ричи и неговият екип оспориха тази дългогодишна вяра нова хартия публикувано на 6 май в списанието Писма за физически преглед. В него те твърдят, че границата на Гринуолд действително може да бъде повишена – почти удвояване на количеството водородно гориво, което може да влезе в токамак, за да произведе плазма. Техните открития биха могли да положат основата за бъдещи термоядрен реактори като DEMO – наследник на ITER, който в момента е в процес на разработка – за да достигнат най-накрая до запалване.

„Това е важно, защото показва, че плътността, която можете да постигнете в токамак, се увеличава с мощността, от която се нуждаете, за да го управлявате“, каза Ричи. „Всъщност DEMO ще работи с много по-висока мощност от настоящите токамаци и ITER, което означава, че можете да добавите повече плътност на горивото, без да ограничавате изхода, за разлика от закона на Гринуолд. И това е много добра новина.”

Zylstra вярва, че откритието на екипа е важно, защото хвърля светлина върху това защо точно термоядрен реактори също имат такова ограничение. Това също така показва, че дизайните за токамаци като ITER или DEMO могат да бъдат „по-малко ограничени, отколкото се смяташе преди“. Тъй като плътността на горивото се увеличава два пъти, това може да доведе до значително подобрение на тяхната мощност от токамаците – и накрая да ни накара да запалим.

„Ядреният синтез е изключително предизвикателен проблем – както от научна, така и от технологична гледна точка, а превръщането на термоядрената мощност в реалност изисква много напредък, направени стъпка по стъпка“, добави Зилстра. „Ако това проучване бъде допълнително потвърдено, особено на машини като ITER, то със сигурност ще помогне на общността за магнитен синтез да проектира и оптимизира бъдещите проекти за експериментални и електрогенериращи съоръжения.