Наукпоп

16 листопада 2022, 20:02

Ексклюзив NV

Дуже дивні справи. Як термоядерна енергія відкриває вікно в екзотичну фізику

Вчені з національної лабораторії Міністерства енергетики США вперше в історії змогли створити «палаючу плазму» в межах експериментів з термоядерною енергією. Найбільший інтерес становить нова альфа-частинка з несподіваною високою енергією.

Кілька тижнів тому російська сторона відправила до Франції одну з шести «котушок полоїдального поля», які потрібні для запуску експериментального термоядерного реактора ITER.

Цей реактор розташований у комуні Сен-Поль-ле-Дюранс на південному сході Франції, і натепер він є наймасштабнішим проєктом з дослідження можливостей термоядерної енергії, в якому беруть участь 35 країн.

На відміну від процесу ядерного розпаду, що лежить в основі сучасних атомних електростанцій, термоядерну енергію планують виробляти за допомогою керованого термоядерного синтезу, поєднуючи важкі та легкі атомні ядра.

Насправді цей процес означає створення потоку плазми з ізотопів водню, нагрітих до температури 150 млн градусів за Цельсієм. Потік має утримуватися всередині реактора — токамака — за допомогою магнітного поля, виділяючи згодом величезну кількість енергії.

Поки що вчені витрачають набагато більше енергії на запуск термоядерного процесу, ніж вони потенційно можуть отримати від роботи токамака. Проте керівники проекту ITER планують до 2035-го отримувати десятикратну кількість енергії, витрачену на роботу термоядерного реактора.

Інші експериментальні токамаки є у різних країнах, включно з Китаєм, США, Францією, Японією та іншими. Нещодавно дослідники зі США заявили про створення першої в історії «палаючої плазми». Вчені також знайшли нову частинку, характеристики якої виходять за межі традиційної фізики.

Передплатіть, щоб прочитати повністю

Нам необхідна ваша підтримка, щоб займатися якісною журналістикою

Передплатити
Перший місяць 1 ₴. Відмовитися від передплати можна у будь-який момент

Термоядерні альфа-частинки

Відкриття належить фахівцям експериментального пристрою термоядерної енергії National Ignition Facility (NIF) у Ліверморській національній лабораторії (LLNL) Міністерства енергетики США. Фізики опублікували результати свого дослідження у журналі Science.

Провідний автор роботи Ед Хартуні підтвердив, що його команда змогла створити «першу палаючу плазму на планеті». Але головним відкриттям LLNL стали частинки палаючої плазми, які мають несподівано високу енергію і порушують закони традиційної фізики.

Так звані альфа-частинки можуть допомогти в досягненні порога «займання», — моменту створення самопідтримуваної термоядерної реакції, яка дасть можливість ефективно виробляти енергію. Хоча фізики зі США уточнили, що незважаючи на великий прорив, для створення робочого струму, ймовірно, знадобляться десятиліття, «якщо це взагалі можливо».

«Для нас настав справді захопливий час, коли ми нарешті отримали майже робочу установку для запалювання і можемо проводити експерименти для дослідження фізики, яку ми не могли зрозуміти раніше. Це також дозволило нам наблизити момент проектування та створення майбутньої термоядерної установки», — заявив один із авторів дослідження, фізик LLNL Аластер Мур.

Ключем до виявлення високоенергетичних альфа-часток стала дивна поведінка іонів, яку помітили вчені у межах кількох експериментів за останні роки. Атоми іонів складаються з різної кількості протонів та електронів, тому вони завжди мають електричний заряд.

Нагріваючи лазером іони дейтерію та тритію (важкі версії водню), фізики генерували реакції синтезу між іонами. Але виявилося, що альфа-частинки, які з’являються всередині палаючої плазми, підвищують температуру ще більше і викликають додаткові реакції в процесі термоядерного горіння.

Практичні експерименти показали, що альфа-частинки виробляють більше енергії, ніж описано у теоретичних моделях. Джерело цієї енергії є «відкритим експериментальним питанням». Команда презентувала чотири можливі пояснення своїх спостережень, але всі вони вимагають проведення додаткових експериментів і ретельного дослідження отриманих даних.

Термоядерні реакції NIF відбуваються за температур понад 82 млн градусів за Цельсієм, що в рази перевищує температуру сонячного ядра. «У такому незвіданому середовищі нам потрібно точно зрозуміти, як альфа-частка стикається з іншими частинками, розподіляє свою енергію, і як вони всі стикаються», — заявили автори роботи.

Досягнення стану палаючої плазми поки є найбільшим успіхом в експериментах з термоядерною енергією.

«Досягнення умов, необхідних для запалювання, було давньою метою всіх досліджень термоядерного синтезу з інерційним утриманням, що відкриває доступ до нового експериментального режиму, в якому саморозігрів альфа-частинок випереджає всі механізми охолодження в термоядерній плазмі», — розповідав головний науковий співробітник програми LLNL Омар Гаррікейн.

У процесі одного з експериментів науковці зафіксували вихід енергії об'ємом понад 1,3 мегаджоулі (МДж) лише за кілька наносекунд.

Проблема з паливом

Попри те, що такі проекти, як ITER, розробляють з кінця минулого століття, досі виробництво термоядерної енергії — це вкрай далека мета, яка залежить від величезних державних і приватних інвестицій, міжнародного співробітництва, зацікавленості країн у створенні нового надефективного джерела енергії тощо.

Вже зараз учені говорять про те, що проблемою на шляху масштабування потенційних термоядерних реакторів у майбутньому може стати нестача тритію. За різними оцінками, у світі є лише кілька десятків кілограмів тритію, а один грам цієї речовини коштує близько $30 тис.

Для працюючих термоядерних реакторів будуть потрібні сотні або навіть тонни кілограмів тритію на рік. Поточні обсяги виробництва тритію задовольняють потреби наукових досліджень та експериментів. Але в промислових масштабах цього буде недостатньо.

Деякі фізики говорять про необхідність розробки реакторів, які зможуть одночасно спалювати та виробляти паливо. Для цього довкола токамака потрібно буде побудувати ще одну структуру, яка зможе витягувати тритій з ізотопів літію-6 під впливом плазми. Але практичних експериментів у цьому напрямі поки що не проводили.

Як альтернативу дейтерій-тритієвому паливу також пропонують використовувати менш важкі ізотопи водню, бор, Гелій-3 тощо.

Керівник американської компанії ТАЕ Technologies Міхл Біндербауер запевняє, що до 2030 року його підприємство презентує прототип пристрою «Да Вінчі» сьомого покоління, який не тільки зможе подавати термоядерну енергію у звичайну електричну мережу, але також використовувати водень і важкий бор p-B11 замість тритію та дейтерію.

За словами Біндербауера, за допомогою цієї установки ТАЕ Technologies також зможе досягти температури в один мільярд градусів усередині свого реактора.

Другие новости

Всі новини