Ученые и инженеры из Массачусетского технологического института побили собственный мировой рекорд по давлению плазмы – ключевого компонента для получения энергии из термоядерного синтеза в токамаке. В атомном реакторе Alcator C-Mod был достигнут результат в 2,05 атмосфер, что на 15% выше предыдущего.
Эксперимент был произведен в последний день эксплуатации Alcator C-Mod – 23 сентября 2016 года. Финансирование проекта закончили. Реактор Alcator C-Mod находился в эксплуатации МТИ уже 23 года, и за это время он неоднократно ставил рекорд давления плазмы в токамаке. Предыдущий в 1,77 атмосфер был установлен в 2005 году.
C-mod — единственный в мире компактный реактор термоядерного синтеза, который может создать магнитное поле индукцией 8 Тесла — в 160 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли. Оно позволяет создавать плотную, горячую плазму, которая может быть стабильной при температуре выше 80 миллионов градусов Цельсия.
Чтобы добиться рекордного эффекта, исследователи МТИ создали магнитное поле силой 5,7 Тесла. Этого хватило, чтобы нагреть плазму до 35 миллионов градусов Цельсия – температуры, в два раза превышающей жар солнечного ядра. На нагрев плазмы потребовалось 4 мегаватта энергии. Во время эксперимента в плазме произошло 300 триллионов реакций синтеза в секунду.
«Этот результат подтверждает, что высокое давление, необходимое для горения плазмы, лучше всего достигается с токамаками высокой напряженности магнитного поля, такими, как C-Mod Alcator» — говорит Риккардо Бетти, профессор факультета инженерной механики и астрономии Рочестерского университета. В организации эксперимента помимо физиков МТИ приняли участие ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы, национальной лаборатории Ок-Ридж и компании General Atomics.
«Это замечательное достижение, которое выдвигает на первый план весьма успешную программу Alcator C-Mod в Массачусетском технологическом институте. Рекордное давление плазмы приближает к практической энергии термоядерного синтеза» — отмечает Дейл Мид, бывший заместитель директора Принстонской лаборатории физики плазмы, который не был непосредственно вовлечен в эксперимент.
Чтобы реакция термоядерного синтеза успешно протекала на Земле, нужно научиться удерживать горячую (выше 50 миллионов градусов) плазму в токамаке в стабильном состоянии под высоким давлением в определенном объеме.Величина мощности производства возрастает пропорционально квадрату давления – поэтому его удвоение приводит к четырехкратному увеличению производства энергии. Именно поэтому пока что особое внимание ученые Массачусетского технологического института уделяют этой переменной. Их токамак лидирует по показателям давления, а двум другим переменным — объему и температуре — внимания уделяют мало. Сотрудники МТИ уверены: если ученым всего мира удастся решить проблему давления, можно будет сказать, что 2/3 пути к получению источника термоядерной энергии уже пройдены.
Термоядерный синтез – тот же самый процесс, который происходит в недрах Солнца. По сути, звезда является природным термоядерным реактором. Энергии, которая выделяется во время синтеза, достаточно для излучения мощных потоков света и частиц. Если на Земле удастся воспроизвести условия, при которых два легких атомных ядра смогут объединиться в более тяжелое, преодолев силы отталкивания, то в долгосрочной перспективе человечество сможет заменить традиционные атомные электростанции. У такого решения масса преимуществ. Основные компоненты топлива – дейтерий и тритий – извлекаются из воды и лития. Дейтерия нам хватит на миллионы лет, лития – на несколько сотен лет. Кроме того, электростанции будут более безопасными. Плотность топлива в реакционном пространстве будет очень низкой: в пределах 1 грамма топлива дейтерия/трития на 1000 кубических метров. Любой сбой охладит плазму и остановит реакции, а дейтерий, литий и полученный в ходе реакции гелий – не радиоактивны. Опасность представляет только тритий, но его период полураспада составляет всего 12,6 лет. Он будет производиться и использоваться в атомном реакторе, поэтому конструкции атомных станций будут проектироваться таким образом, чтобы избежать его выпуска. И, наконец, на электростанциях будущего энергия будет вырабатываться без отработавшего ядерного топлива. Именно поэтому ученые всего мира прилагают столько усилий, чтобы достичь цели, несмотря на то, что для этого может потребоваться ни один десяток лет.
Сегодня главным препятствием на пути является тот факт, что реакторы используют больше энергии, чем создают. Во время вращения раскаленной плазмы происходят кратковременные вспышки, которые токамаки пока не могут выдерживать долго. 6 минут и 30 секунд – это рекорд, который смог установить французский токамак в 2003 году. В идеале необходимо создать реактор, который сможет производить самоподдерживающуюся плазму. Поэтому 35 стран, в том числе Россия, США, Китай и Евросоюз, сейчас вкладывают деньги в строительство реактора ITER во Франции, который должен решить эту проблему. Правительство США, также заинтересованное в строительстве, решило отказаться от финансирования Alcator C-Mod в пользу ITER. В реализации этого проекта, по сути, используются самые важные и существенные достижения, которых удалось добиться в конструкциях и материалах для C-Mod.
Теперь группа ядерного синтеза МТИ будет пытаться использовать новые высокотемпературные сверхпроводники, которые могут производит магнитные поля сильнее без нагревания и потребления электроэнергии. Эти сверъпроводники должны стать основой проекта реактора Affordable Robust Compact, мощностью 270 Мегаватт. Предполагается, что ARC сможет производить такое же количество энергии, как и ITER, но будет в два раза меньше по размеру.
Комментарии (23)
dfgwer
18.10.2016 15:26+1В последний день, поставили небезопасные с точки зрения с целостности оборудования настройки.
sumanai
18.10.2016 17:18> В атомном реакторе Alcator C-Mod был достигнут результат в 2,05 атмосфер, что на 15% выше предыдущего.
Давление в пару атмосфер можно создать насосом для велосипеда, или даже при надувании воздушного шарика. Там случайно «миллионов» не пропущено?
jar_ohty
18.10.2016 17:26+2Одно дело создать давление воздуха, а другое дело — создать давление плазмы с температурой в десятки и сотни миллионов кельвин.
seniaiff11
18.10.2016 18:25«Во время эксперимента в плазме произошло 300 триллионов реакций синтеза в секунду, которые в совокупности сгенерировали 1,4 миллиона ватт электроэнергии» — так он еще и электричество вырабатывает?
Alexsandr_SE
18.10.2016 23:18Может и вырабатывает, но только на создание плазмы ушло в несколько раз больше.
Hummanoid
18.10.2016 22:18Всегда интересовало, а как термояды планируют электричество вырабатывать? Принцип какой? Ну там, на гидро, вода динамо крутит, на ядерных воду греем и тоже крутим, а на термоядах что? Как используется энергия синтеза? Извиняюсь за простой может вопрос.
vanxant
19.10.2016 01:59+1Зависит от реакции.
Если дейтерий + тритий (тритий нестабилен и относительно быстро распадается, в природе его давно нет, поэтому его получают «на месте» из лития), то 80% энергии реакции D+T > 4He + n + 17.6 МэВ выделяется в виде нейтронов, точнее в виде скорости (кинетической энергии) этих нейтронов.
Нейтроны летят во все стороны, сталкиваются с ядрами вещества реактора, передают им часть своей энергии (т.е. нагревают стенки реактора) и иногда этими ядрами поглощаются. Так что да, D + T реактор это просто кипятильник, по-другому никак.
Ядерных отходов в таком реакторе действительно нет, зато из-за вот этого вот «иногда поглощаются» в конструкции реактора образуются сотни видов радиоактивных изотопов, которые затем фонят всеми цветами радуги во всех возможных типах излучений. Более того, сам реактор не способен поглотить все нейтроны, а нейтронное излучение в 10 раз опаснее для человека, чем такая же доза гаммы. Поэтому вокруг реактора приходится строить метровой толщины стену биозащиты, весь ремонт и обслуживание внутри которой возможно проводить только роботами. И после окончания срока службы реактора, все эти тысячи тонн фонящего на все лады металла нужно куда-то закапывать.
Совсем другое дело — реакция дейтерий — гелий-3: D + 3He > 4He + p + 18.35 МэВ, в которой вместо нейтронов выделяются протоны (и так же уносят 80% энергии, двигаясь на околосветовой скорости). Протоны — частицы заряженные, магнитным полем их можно собрать в пучок и направить в нужное место. Такой пучок заряженных частиц — это уже есть электрический ток в чистом виде, и его можно превратить в привычный поток электронов по проводам в специальном хитромудром «трансформаторе». Остальная часть энергии нужна для поддержания температуры в плазме, т.е. «кипятильник» можно и не строить.
Ну как обычно, дальше у D + 3He реакции начинаются сплошные «но»:
— Температура нужна в несколько раз выше, чем у D+T
— Для установки трансформаторов бублик токомака нужно разрезать и вытянуть в сосиску, на края которой и устанавливаются электросъёмные устройства. Эта схема реактора называется «открытая ловушка», там совершенно другое поведение плазым, и, кроме Новосибирского ИЯФ ими никто в мире толком не занимается.
— Параллельно с D + 3He в плазме идёт паразитная реакция D + D. С вероятностью 50% D+D реакция даёт искомый гелий-3, но в других 50% случаев рождается тритий. Который тут же реагирует с дейтерием. Т.е. от нейтронов всё равно никуда не деться, просто их будет в разы меньше.
— Гелий-3 один из самых распространённых изотопов во Вселенной, его много на Луне, а вот на Земле практически нет. Тупо улетел в космос.dfgwer
19.10.2016 03:39Нужно к этому добавить
Протон+бор-11 = 3 гелий-4
Сплошные плюсы с одним минусом по сравнению с другими.
+Нет нейтронов
+Все продукты реакции заряженные
+Водорода и бора хватает на земле.
-Нужно еще больше температуры и давленияk155la3
19.10.2016 14:21Нейтроны есть (~0.3-1% если брать равную мощность с дейтерий-тритием), есть и радиоактивные отходы, в том числе — долгоживущие (тритий, Ве7, С14).
iago
19.10.2016 13:33тот момент, когда комментарий полезней чем статья. Что неудивительно от человека, которому по профилю 115 лет
zookko
А в ИТЕР какое давление планируется получать?
k155la3
Примерно 5.
Вообще, новость — совершенно местячковая, ни о чём. Высосанный из пальца пресс-релиз, чтоб напомнить, что они там тоже что-то делают, и гранты свои едят не зря. Оно и в масштабах университетской газеты-то так себе смотрится…
На других установках получали больше, и с лучшим бета.
Ну а то что владелец установки Alcator поставил рекорд давления в установке Alcator — ну, оно как бы и ожидаемо. На других установках такого рекорда точно поставить не получится. :)