Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Учёные из Техасского университета в Остине, Лос-Аламосской национальной лаборатории и компании Type One Energy Group, наконец, решили проблему, которая беспокоила исследования в области термоядерной энергии на протяжении 70 лет. Новый подход позволяет проектировать герметичные системы магнитного удержания в 10 раз быстрее существующих.
Используя новый подход, основанный на теории симметрии, это сотрудничество преодолело препятствие, мешавшее удержанию плазмы (высокотемпературного ионизированного газа, состоящего из ионов и электронов) внутри термоядерных реакторов.Самый большой в мире ядерный реактор ИТЭР получил магнит 3000-тон
Проблемы термоядерного синтеза
Технология ядерного синтеза обещает изобилие чистой энергии без выбросов парниковых газов и риска образования высокорадиоактивных отходов.
Исследования в этой области ведутся десятилетиями, но в последние годы их темп ускорился, а Национальная установка по воспламенению термоядерного топлива (NIF – National Ignition Facility, крупный исследовательский комплекс лазерного термоядерного синтеза в США) даже продемонстрировала чистый прирост энергии от термоядерных реакций.
Основной проблемой при масштабировании термоядерного синтеза является удержание высокоэнергетических частиц в стенках реактора.
Для осуществления синтеза изотопы водорода нагреваются до температур, превышающих температуру на поверхности Солнца, и переходят в четвёртое состояние вещества, называемое плазмой, прежде чем слиться с образованием молекул гелия и выделением энергии.
Однако при таких температурах и высоких энергетических состояниях альфа-частицы (ядра атомов гелия, образующиеся в результате реакции синтеза) утекают из термоядерного реактора, что приводит к снижению плотности плазмы.
Теряя тепло, плазма больше не может поддерживать реакцию синтеза, что ведёт к прекращению производства энергии. Чтобы предотвратить это, учёные и инженеры разрабатывают системы для предотвращения утечки альфа-частиц.
Когда законы Ньютона не помогают ядерному синтезу
Инженеры используют сложные системы магнитного удержания для предотвращения утечки альфа-частиц из реакторов.
Например, стелларатор (тип термоядерного реактора со сложной конфигурацией) использует внешние катушки, генерирующие магнитные поля для удержания плазмы и высокоэнергетических частиц. Такое удержание также называют «магнитной ловушкой». Однако в этой «магнитной ловушке» существуют «дыры», позволяющие альфа-частицам ускользать.
К счастью, существуют модели, помогающие оценить, где могут возникать эти «дыры». Используя законы движения Ньютона, учёные могут точно предсказать места их возникновения. Тем не менее такие вычисления занимают огромное количество времени.
Если бы этот подход использовался при проектировании стелларатора, моделирование потребовало бы сотен тысяч отличающихся конструкций и настроек расположения магнитных катушек для устранения «дыр». Это ещё больше увеличило бы вычислительные требования, делая попытку нецелесообразной.
Более простой применяемый подход известен как теория возмущений (метод нахождения приближенных решений сложных задач на основе известного решения более простой задачи), проще, но менее точен. Это одна из причин медленного развития стеллараторов. Поэтому исследователи объединили усилия для разработки нового подхода к решению этих проблем.
Подход на основе теории симметрии
«В настоящее время без наших результатов нет практического способа найти теоретический ответ на вопрос удержания альфа-частиц», — сказал Джош Бёрби, доцент физики Техасского университета, руководивший исследованием.
«Прямое применение законов Ньютона слишком затратно. Методы теории возмущений допускают грубые ошибки. Наша теория — первая, которая обходит эти подводные камни».
Подход на основе теории симметрии позволяет инженерам проектировать герметичные системы магнитного удержания в 10 раз быстрее существующих методов, без ущерба для точности.
Интересно, что этот подход работает как для стеллараторов, так и для токамаков (термоядерных реакторов тороидальной формы, где плазма удерживается комбинированным магнитным полем), которые являются популярным выбором среди разрабатываемых термоядерных реакторов.
Подобно утечке альфа-частиц в стеллараторах, токамаки сталкиваются с проблемой утечки электронов, которые могут прожигать отверстия в стенках реактора. Новый подход может помочь выявить бреши в магнитных полях, позволяющие электронам ускользать.
«Самое захватывающее то, что мы решаем проблему, которая оставалась открытой почти 70 лет. Это смена парадигмы в проектировании таких реакторов» — добавил Бёрби в пресс-релизе.
Поделись видео:
