Блог

May 09, 2023

Развитие термоядерной энергетики: исследователи достигли рекорда

Питер Хансен/iStock Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой.

Питер Хансен/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Реакции ядерного синтеза генерируют большое количество энергии. Примером ядерного синтеза являются реакции, происходящие в ядре Солнца. Использование термоядерной энергии уже давно является целью учёных и исследователей, поскольку она не производит выбросов парниковых газов или долгоживущих радиоактивных отходов.

Однако существует несколько узких мест в производстве термоядерной энергии, таких как необходимость высоких температур и давлений, нестабильность плазмы, стоимость, масштабируемость и поиск энергетического баланса.

Несмотря на эти проблемы, в исследованиях в области термоядерной энергии был достигнут значительный прогресс.

Токамаки — это устройства, используемые для термоядерного синтеза с магнитным удержанием. В этих реакциях мощное магнитное поле используется для контроля и удержания горячей плазмы термоядерного топлива в активной зоне реактора. Плазма нагревается до высоких температур с помощью инжекции нейтрального луча или радиочастотного нагрева. Основная цель — поддерживать стабильное состояние плазмы, при котором реакции термоядерного синтеза могут происходить непрерывно, обеспечивая безграничный источник энергии.

Недавнее исследование, проведенное исследователями из Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL), Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) и Tokamak Energy Ltd, показывает значительный прорыв в исследованиях в области термоядерной энергии. Команда достигла температуры почти 100 миллионов градусов по Цельсию, необходимой для термоядерных электростанций для производства коммерческой энергии.

Кроме того, они достигли высоких температур в компактном токамаке, чего раньше не делалось!

В этом исследовании исследователи сосредоточились на уточнении условий работы сферического токамака (ST) с сильным полем под названием ST40. По сравнению с другими термоядерными устройствами устройство ST40 выделяется меньшими размерами и сферической плазмой.

Команда использовала подход, аналогичный тому, который использовался в 1990-х годах в токамаке TFTR, который генерировал более 10 миллионов ватт термоядерной энергии. ST40 работал с тороидальным (бубликообразным) магнитным полем при значениях чуть выше 2 Тесла.

Команда использовала 1,8 миллиона ватт нейтральных частиц высокой энергии для нагрева плазмы. Хотя плазменный разряд, или период, когда активно протекали термоядерные реакции, составлял всего 0,15 секунды, температура ионов в ядре достигала более 100 миллионов градусов Цельсия.

Команда использовала транспортный код TransP, разработанный в PPPL, для измерения температуры ионов. Этот код полезен, поскольку он учитывает измеренные температурные профили примесей и дейтерия, основного топлива, используемого в термоядерных реакторах.

Они обнаружили, что диапазон температур для примесей превышает 8,6 кэВ (приблизительно 100 миллионов градусов Цельсия), тогда как диапазон температур для дейтерия находится около этого значения. Это открытие предполагает, что метод нагрева, использованный в эксперименте, эффективно достиг желаемых высоких температур.

Результаты вселяют оптимизм в отношении будущего развития термоядерных электростанций на основе компактных сферических токамаков с высоким полем. Эти достижения могут привести к более эффективным и экономически жизнеспособным решениям в области термоядерной энергетики, открывая многообещающий путь к устойчивому и экологически чистому производству энергии.

Исследование было опубликовано в журнале Nuclear Fusion.

Аннотация исследования:

Ионные температуры более 100 миллионов градусов Кельвина (8,6 кэВ) были получены в компактном сферическом токамаке (ST) сильного поля ST40. Ионные температуры выше 5 кэВ ранее не достигались ни в одном СТ и были получены только в гораздо более крупных устройствах со значительно большей мощностью нагрева плазмы. Соответствующий тройной продукт синтеза рассчитан как ni0Ti0τE≈6±2 x 1018 м-3 кэВс. Эти результаты впервые демонстрируют, что температуры ионов, необходимые для коммерческого термоядерного синтеза с магнитным удержанием, могут быть получены в компактном ПТ высокого поля и являются хорошим предзнаменованием для термоядерных электростанций на основе ПТ сильного поля.