Главная Новости Физики пересмотрели закон, ограничивающий термоядерные реакции

Физики пересмотрели закон, ограничивающий термоядерные реакции

Физики из EPFL - Федеральной политехнологической школы Лозанны- в рамках крупного европейского проекта пересмотрели один из фундаментальных законов, который устанавливает ограничения для термоядерной энергии.

Первоначально он был установлен более 30-ти лет назад при исследованиями плазмы и термоядерного синтеза. Настоящее обновление показывает, на сколько безопасно мы можем использовать термоядерное топливо и, следовательно, получать больше энергии, чем считалось ранее.

Термоядерный синтез является одним из наиболее перспективных источников энергии будущего. Как процесс он представляет собой слияние двух атомных ядер в одно, что приводит к высвобождению огромного количества энергии.

Фактически, мы наблюдаем термоядерный синтез каждый день: тепло Солнца образуется в результате слияния ядер водорода в более тяжелые атомы гелия.

В настоящее время существует международный мегапроект по исследованию термоядерного синтеза под названием ITER, который стремится в земных условиях воспроизвести процессы термоядерного синтеза.

Глобальная цель - генерировать высокотемпературную плазму, которая обеспечит подходящую среду для термоядерного синтеза с дальнейшим получением энергии.

Плазма для термоядерного синтеза

Плазма - ионизированное состояние материи, похожее на газ - состоит из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, а ее плотность почти в миллион раз меньше, чем у воздуха, которым мы дышим.

Плазма создается путем воздействия на "термоядерное топливо" - атомы водорода - чрезвычайно высоких температур (в 10 раз выше, чем в ядре Солнца), заставляя электроны отделяться от атомных ядер. В термоядерном реакторе этот процесс происходит внутри понтообразной ("тороидальной") структуры, называемой "токамак".

"Чтобы создать плазму для термоядерного синтеза, необходимо учитывать три вещи: высокую температуру, высокую плотность водородного топлива и хорошее сдерживание", - говорит Паоло Риччи из Швейцарского плазменного центра, одного из ведущих мировых исследовательских институтов в области термоядерного синтеза, расположенного в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL).

EPFL. Здесь пытаются воссоздать Солнце

Команда Риччи опубликовала исследование, в котором обновлен основополагающий принцип создания плазмы и показано, что можно работать с вдвое большим количеством водорода и, следовательно, генерировать больше термоядерной энергии, чем считалось ранее.

"Одно из ограничений при создании плазмы в токамаке - это количество водородного топлива, которое можно в него ввести, - говорит Риччи. - С первых дней термоядерного синтеза мы знали, что если попытаться увеличить плотность топлива, то в какой-то момент произойдет то, что мы называем "срывом" - по сути, вы полностью потеряете ограничение, и плазма пойдет куда угодно. Поэтому в восьмидесятых годах люди пытались придумать какой-то закон, который мог бы предсказать максимальную плотность водорода, которую можно поместить внутрь токамака".

Ответ пришел в 1988 году, когда Мартин Гринвальд опубликовал знаменитый закон, связывающий плотность топлива с малым радиусом токамака (радиус внутренней окружности) и током, протекающим в плазме внутри токамака.

С тех пор "предел Гринвальда" стал центральным постулатом термоядерных исследований. Фактически, это стратегия по строительству токамака.

Ричи объясняет:

"Гринвальд вывел закон эмпирически, он полностью основан на эмпирических данных, а не на проверенной теории или на "первых принципах".

"Тем не менее, ограничение хорошо работает в исследованиях. И в некоторых случаях, например, в DEMO это уравнение является большим ограничением для работы, потому что оно говорит, что вы не можете увеличить плотность топлива выше определенного уровня".

Кроме того, Швейцарский центр плазмы разработал эксперимент, в ходе которого с помощью высокотехнологичного оборудования можно контролировать количество топлива, впрыскиваемого в токамак.

Максимальная плотность топлива

Масштабные испытания проводились на крупнейшем в мире токамаке, Объединенном европейском токамаке (JET) в Великобритании, а также на модернизированном ASDEX в Германии (Институт Макса Планка) и на токамаке TCV в EPFL.

 

Крупнейшая экспериментальная работа стала возможной благодаря консорциуму EUROfusion, европейской организации, координирующей термоядерные исследования в Европе, в которых EPFL участвует через Институт физики плазмы Макса Планка.

В то же время Маурицио Джакомене, докторант из группы Риччи, приступил к анализу физических процессов, ограничивающих плотность токамака, чтобы вывести закон элементарных принципов, связывающих плотность топлива с объемом токамака.

Частично это связано с использованием усовершенствованного моделирования плазмы с помощью компьютерной модели.

"При моделировании используются преимущества некоторых из самых больших компьютеров в мире, благодаря CSCS, Швейцарскому национальному центру супервычислений, и EUROfusion", - говорит Ричи.

"И что мы обнаружили в результате моделирования, так это то, что по мере добавления большего количества топлива в плазму, ее части перемещаются от внешнего холодного слоя токамака, границы, к его ядру, потому что плазма становится более турбулентной. Затем, в отличие от медных электрических проводов, которые становятся более прочными при нагревании, плазма становится более прочной при охлаждении. Поэтому чем больше топлива вы помещаете в нее при той же температуре, тем больше ее части остывают - и тем труднее току течь в плазме, что может привести к турбулентности".

"На самом деле турбулентность в жидкости является самым важным открытым вопросом в классической физике, - говорит Ричи. - Но турбулентность в плазме более сложна, так как у вас есть еще и электромагнитное поле".

В конце концов, Ритчи и его коллеги смогли расшифровать код и вывести новое уравнение для максимального предела топлива в токамаке, которое хорошо согласуется с результатами экспериментов. Результаты исследований опубликованы в журнале Physical Review Letters от 6 мая 2022 года.

Новое уравнение предполагает, что граница Гринвальда может быть поднята примерно в два раза по количеству топлива; это означает, что токамаки могут использовать в два раза больше топлива для производства плазмы, турбулентности не произойдет.

"Интенсивность, которой можно достичь в токамаке, увеличивается с ростом мощности, необходимой для его работы", - поясняет Ричи.

"На самом деле, DEMO будет работать на гораздо более высокой мощности, чем нынешние токамаки, что означает, что вы можете добавить больше плотности топливу без снижения мощности, в отличие от закона Гринвальда. И это очень хорошая новость".

Ссылка: “First principles tokamak density limit meter based on turbulent edge transport and its reflections on ITER” By M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, ASDEX Upgrade Team, JET Shareholders, and TCV Team , May 6, 2022, Physical Review Letters.

DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.185003