Немецкие ученые достигли прогресса в ядерном синтезе, приблизившись к созданию чистой энергии.

Новости МирТесен

Разработка технологии термоядерного синтеза, представляющего собой перспективный, почти неисчерпаемый источник энергии, не сопровождающийся образованием длительно радиоактивных отходов, достигла значительного прогресса. Немецкий экспериментальный реактор Wendelstein 7-X (стелларатор) установил ряд новых мировых рекордов, подтвердив возможность удержания сверхгорячей и стабильной плазмы в течение более длительного периода, чем когда-либо прежде. Данное достижение стало важным этапом в создании промышленного термоядерного реактора, который в перспективе сможет заменить ископаемые источники энергии, оказывающие негативное воздействие на окружающую среду.

Термоядерный синтез: многолетнее стремление к безупречному источнику энергии

Термоядерный синтез – это процесс, благодаря которому функционируют Солнце и звёзды. Он представляет собой слияние лёгких атомных ядер водорода в более тяжёлые (например, гелий), в результате чего высвобождается колоссальное количество энергии. В отличие от ядерного деления, которое применяется на современных атомных электростанциях, синтез практически не производит долгоживущих радиоактивных отходов и исключает возможность серьёзных аварий.

Воссоздание таких экстремальных условий на Земле представляет собой сложную задачу. Для инициирования реакции требуется нагрев топлива до миллионов градусов и поддержание этой температуры в течение достаточно продолжительного времени, чтобы обеспечить самоподдерживающийся процесс. На текущий момент экспериментальные реакторы расходуют больше энергии, чем генерируют.

Стеллараторы и токамаки: различные стратегии контроля плазмы

С целью удержания плазмы при указанных температурах создаются два типа реакторов: токамаки и стеллараторы.

Токамаки, отличающиеся более простой конструкцией, применяют мощный электрический ток, проходящий через плазму, для формирования удерживающего её магнитного поля. Тем не менее, поддержание устойчивости таким образом затруднено, что влияет на общую эффективность.

Стеллараторы используют сложную систему внешних магнитов, расположенных в форме спирали, что позволяет удерживать плазму стабильной без необходимости создания внутреннего тока. Этот подход к конструкции более трудоемок в плане разработки, однако предполагает более надежную работу в будущем. Wendelstein 7-X на сегодняшний день является наиболее современным стелларатором.

Рекордные эксперименты Wendelstein 7-X

Международная группа ученых, работающая над проектом Wendelstein 7-X в Институте физики плазмы имени Макса Планка (IPP) в Грайфсвальде, Германия, достигла значительных успехов в ходе последних экспериментов. Реактор установил ряд мировых рекордов, включая рекорд по длительности поддержания горячей и стабильной плазмы, что является ключевым показателем для успешной работы установки.

«Комбинация параметров, включающая плотность плазмы, температуру и время удержания энергии – «тройное произведение» – достигла уровня, характерного для передовых токамаков. Этот показатель имеет решающее значение, поскольку для достижения самоподдерживающейся реакции, при которой вырабатывается больше энергии, чем затрачивается, необходимо превысить критерий Лоусона.

Томас Клингер, возглавляющий проект Wendelstein 7-X, охарактеризовал новый рекорд как «впечатляющее достижение» и «значительный прогресс на пути к созданию стелларатора, который можно будет использовать для производства электроэнергии». Это подтверждает перспективность данной технологии.

Как им удалось совершить такой успех?

Благодаря важной технической разработке — новой системе впрыска топлива — стало возможным достичь этого результата. Разработанный исследователями инжектор способен выбрасывать сотни гранул замороженного водорода в плазму со скоростью, приближающейся к скорости пули (до 800 метров в секунду).

Плазму нагревали с помощью мощных микроволновых импульсов, что позволило достичь температуры в 30 миллионов градусов Цельсия. Благодаря этому точному методу удалось удержать плазму в устойчивом состоянии в течение 43 секунды — это рекордный показатель для стеллараторов.

Поддержание плазмы в состоянии высокой температуры на протяжении длительного времени критически важно, поскольку именно это определяет количество энергии, генерируемой в процессе термоядерного синтеза. Кроме того, эксперимент зафиксировал новый рекорд – генерация энергии в объеме 1,8 гигаджоуля за шесть минут, что существенно выше, чем у других реакторов, например, у китайского токамака EAST.

К коммерческой термоядерной энергии: перспективы ближайшего будущего?

Полученные данные подтверждают, что стелларатор может стать важной технологией для термоядерных электростанций будущего. Способность удерживать плазму в стабильном состоянии без использования внутреннего тока является существенным преимуществом для организации непрерывной коммерческой работы.

Роберт Вольф, возглавляющий отдел нагрева и оптимизации проекта Wendelstein 7-X, отметил, что достижение стало результатом успешного международного сотрудничества, которое повышает уверенность в перспективах термоядерной энергии.

Впереди еще многое предстоит сделать. Следующий этап предполагает соответствие критерию Лоусона и достижение выработки энергии, превышающей потребление реактора. Далее возникнут задачи, касающиеся создания масштабируемых, надежных и экономически эффективных систем.

Каждый преодоленный рекорд, каждое технологическое достижение сближают нас с чистым, почти неисчерпаемым и безопасным источником энергии.