Сегодня, среди альтернативных источников энергии особое место занимает термоядерный синтез, который пока что не получил широкого практического применения и ограничивается стенами немногих лабораторий по всему миру. Одной из основных проблем, сдерживающих данную технологию, являются сложности в контроле выбросов энергии синтеза и, если необходимо, их подавлении.
Но недавно произошел небольшой прорыв в решении этой проблемы. В частности, внимание ученых было обращено на бериллий – твердый, серебристый металл, давно используемый в рентгеновских аппаратах и космических кораблях. Этот химический элемент является одним из двух основных материалов, используемых для стены в ITER – многонациональной термоядерной установке, строящейся во Франции, чтобы продемонстрировать практичность термоядерной энергии. Теперь физики из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) и компании General Atomics пришли к выводу, что введение крошечных бериллиевых гранул в ITER может помочь стабилизировать плазму (одно из агрегатных состояний вещества в виде ионизированного газа), которая поддерживает реакции термоядерного синтеза.
Эксперименты и компьютерное моделирование показали, что впрыскиваемые гранулы помогают создать условия в плазме, которые могут вызвать небольшие извержения, называемые краевыми локализованными режимами (ELMs). Если крошечные ELM запускаются достаточно часто, они предотвращают гигантские извержения, которые могут остановить реакции синтеза и повредить установку ITER, передает сайт Phys.org.
Ученые всего мира стремятся воспроизвести термоядерный синтез (как на Солнце) на Земле для создания практически неисчерпаемого источника электроэнергии. Процесс заключается в том, что доведенное до состояния плазмы вещество (зачастую изотопы гелия или водорода) будет высвобождать огромные количества энергии в следствии слияния ядер и перехода ионов газа в более тяжелые формы.
В настоящих экспериментах исследователи вводили в плазму гранулы углерода, лития и карбида бора – легких металлов, которые обладают несколькими свойствами бериллия – в DIII-D National Fusion Facility, который General Atomics разрабатыввает для DOE в Сан-Диего. «Эти легкие металлы являются материалами, обычно используемыми внутри DIII-D, и обладают несколькими свойствами, подобными с бериллием», – сказал физик PPPL Роберт Лансфорд, ведущий автор статьи, в которой сообщается о результатах в области ядерных материалов и энергии. Поскольку внутренняя структура трех металлов аналогична структуре бериллия, ученые делают вывод, что все эти элементы будут одинаково влиять на плазму ITER.
Заметим, что DIII-D (или токамак) – это тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза.
Эти эксперименты были первыми в своем роде. «Это первая попытка выяснить, как введенные химические элементы будут проникать в ITER и достаточно ли спровоцируют изменений в температуре, плотности и давлении, чтобы вызвать ELM», – сказал Раджеш Маини, глава плазменной компании и соавтор статьи. «Сейчас это выглядит так, что техника «инъекции» гранул с этими элементами является эффективной». Таким образом, добавление определенного вещества извне может снизить риск больших ELM в ITER. «Количество энергии, направляемой в первые стены ITER самопроизвольно возникающими ELM, достаточно, чтобы нанести серьезный ущерб целостности установки», – сказал Лансфорд. «Если бы ничего не было сделано, у вас был бы недопустимо короткий срок службы компонентов, возможно, требующий замены деталей каждые пару месяцев».
Согласно исследованиям Лансфорда, введение гранул бериллия диаметром 1,5 миллиметра, толщиной с зубочистку, позволяет им проникнуть в край плазмы ITER таким образом, чтоб вызывать небольшие ELM и предотвратить крупные взрывы более эффективно, чем в случае с углеродом, литием и карбидом бора. При таком размере площадь поверхности гранулы достаточная, чтобы испариться и позволить бериллию проникать в места в плазме, где наиболее эффективно могут инициироваться ELM.
Следующий шаг ученых будет состоять в натурных рассчетах того, действительно ли изменения плотности, вызванные гранулами примесей в ITER, вызывают мелкие ELM, как показывают предварительные эксперименты и моделирование.
Исследователи предполагают, что введение гранул бериллия является лишь одним из многих инструментов, включая использование внешних магнитов и внедрение таблеток дейтерия, для управления плазмой в установках токамак. Для подтверждения результатов своих расчетов, ученые также надеются провести аналогичные эксперименты на Объединенном европейском торе (Joint European Torus – JET) в Соединенном Королевстве, который является крупнейшим в мире токамаком.
По словам Лансфорда «для того, чтобы по-настоящему справиться с проблемой ELM, всем работающим вместе ученым понадобится много разных методов».
