Исследователи термоядерного синтеза нашли более безопасный и эффективный способ создать звезду на Земле

Автор SciTechDaily23 декабря 2019 г.

Ученые обнаружили, что добавление порошка в плазму может позволить токамаку использовать сверхгорячий газ для выработки тепла и электроэнергии без выбросов парниковых газов или долгосрочных радиоактивных отходов.

A major issue with operating ring-shaped fusion facilities known as tokamaks is keeping the plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">plasma that fuels fusion reactions free of impurities that could reduce the efficiency of the reactions. Now, scientists at the U.S. Department of Energy’s (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPLThe U.S. Department of Energy’s Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) is a collaborative national laboratory for plasma physics and nuclear fusion science. Its primary mission is research into and development of fusion as an energy source for the world." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">PPPL) обнаружили, что распыление порошка в плазму может помочь в использовании сверхгорячего газа в токамаке для производства тепла для производства электричества без образования парниковых газов или долговременных радиоактивных отходов.

Термоядерный синтез, энергия, которая управляет Солнцем и звездами, объединяет легкие элементы в форме плазмы — горячего, заряженного состояния материи, состоящей из свободных электронов и атомных ядер, — которая генерирует огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез на Земле, чтобы получить практически неисчерпаемый запас энергии для выработки электроэнергии.

Физик PPPL Роберт Лансфорд завершил исследование, показавшее, что введение порошка бора в термоядерную плазму может способствовать реакциям термоядерного синтеза. Фото: Элль Старкман / Управление коммуникаций PPPL

«Основной целью эксперимента было выяснить, сможем ли мы нанести слой бора с помощью порошкового инжектора», — сказал физик PPPL Роберт Лансфорд, ведущий автор статьи, сообщающей о результатах в журнале Nuclear Fusion. «Пока эксперимент кажется успешным».

Бор предотвращает выщелачивание элемента, известного как вольфрам, из стенок токамака в плазму, где он может охладить частицы плазмы и сделать реакции термоядерного синтеза менее эффективными. Слой бора наносится на поверхности, обращенные к плазме, в процессе, известном как «борирование». Ученые хотят, чтобы плазма была как можно более горячей — как минимум в десять раз горячее, чем поверхность Солнца — чтобы максимизировать реакции термоядерного синтеза и, следовательно, выделять тепло для создания электричества.

Использование порошка для борирования также намного безопаснее, чем использование газообразного бора, называемого дибораном, метода, используемого сегодня. «Газ диборан взрывоопасен, поэтому во время процесса всем придется покинуть здание, в котором находится токамак», — сказал Лансфорд. «С другой стороны, если бы вы могли просто бросить в плазму немного порошка бора, с этим было бы намного легче справиться. В то время как газ диборан взрывоопасен и токсичен, порошок бора инертен», — добавил он. «Эта новая техника будет менее интрузивной и определенно менее опасной».

Еще одним преимуществом является то, что, хотя физики должны останавливать работу токамака во время процесса получения бора, порошок бора можно добавлять в плазму во время работы машины. Эта особенность важна, поскольку для обеспечения постоянного источника электроэнергии будущие термоядерные установки должны будут работать в течение длительных и непрерывных периодов времени. «Это один из способов добраться до термоядерной машины», — сказал Лансфорд. «Вы можете добавить больше бора, не выключая машину полностью».

Есть и другие причины использовать порошковую капельницу для покрытия внутренних поверхностей токамака. Например, исследователи обнаружили, что инъекция порошка бора имеет те же преимущества, что и вдувание газообразного азота в плазму — оба метода увеличивают нагрев на границе плазмы, что увеличивает, насколько хорошо плазма остается удерживаемой в магнитных полях.