Сюрприз: ядерный синтез может дать гораздо больше энергии, чем считалось ранее
Ученые скорректировали основной закон, определяющий максимальное количество топлива, которое можно использовать в термоядерных реакторах. Это означает, что ядерный синтез, однажды освоенный и использованный на термоядерных электростанциях, станет даже более эффективным, чем считалось ранее.
В этой статье:
Какое топливо используется в термоядерных реакторах?
Что такое предел Гринвальда?
Сколько энергии может дать ядерный синтез?
Ядерный синтез – это Святой Грааль современной науки . Освоение процесса создания энергии таким же образом, как она генерируется внутри Солнца, предоставит человечеству практически неограниченный источник электроэнергии . В условиях климатической катастрофы , когда отказ от ископаемого топлива является острой необходимостью, это также помогло бы остановить резкое повышение температуры. И как следствие – непредсказуемые изменения климата.
Насколько эффективен ядерный синтез? Ученые, работающие над токамаком JET, утверждают, что килограмм топлива, используемого в их устройстве, содержит в 10 миллионов раз больше энергии, чем килограмм угля, нефти или газа . Он также не выделяет парниковых газов.
Какое топливо используется в термоядерных реакторах?
Ядерный синтез может быть достигнут несколькими различными способами. На данный момент большая часть надежд связана с так называемым токамаками. Токамаки имеют форму бублика с дыркой посередине. Внутри них находится термоядерное топливо — смесь двух изотопов водорода: дейтерия и трития . При достаточно высоких температурах эти изотопы соединяются друг с другом, генерируя огромное количество энергии.
Однако дьявол кроется в деталях. Внутри Солнца, то есть в естественной среде, где происходит ядерный синтез, температура составляет 15 миллионов градусов Цельсия, там тоже огромное давление. Этого второго параметра невозможно достичь на Земле.
Это означает, что на термоядерных электростанциях на Земле придется достигать гораздо более высоких температур, чем на Солнце. В зависимости от токамака она составляет 120 или даже 150 миллионов градусов Цельсия .
Мало того, нагретое ядерное топливо, то есть плазма, образующаяся внутри токамака, не может касаться его стенок. Сильное магнитное поле , создаваемое мощными электромагнитами, помогает удерживать плазму вдали от токамака .
Что такое предел Гринвальда?
Разговоры об освоении ядерной реакции и использовании ее в качестве источника энергии ведутся уже пятьдесят лет. Ученые работали над этим несколько десятков лет, используя экспериментальные токамаки разных размеров. Однако от эксперимента до первой термоядерной электростанции очень долгий путь.
Как оказывается, трудности, которые предстоит преодолеть, носят не только инженерный характер. В научном журнале «Physical Review Letters» только что была опубликована статья , в которой ставится под сомнение основной закон, определяющий, насколько густым должно быть топливо, используемое в токамаках. Этот закон – так называемый Предел Гринвальда – был сформулирован более тридцати лет назад.
— Чтобы создать плазму, которую вы будете использовать для термоядерного синтеза, вы должны гарантировать три вещи: высокую температуру, герметичное помещение и достаточно плотное водородное топливо , — говорит Паоло Риччи из Швейцарского плазменного центра, один из авторов новаторской работы.
– Одним из ограничений является количество водородного топлива, которое вы подаете в токамак, – говорит Риччи. – С самого начала работ по термоядерному синтезу было известно, что если его будет слишком много, то плазма станет совершенно непредсказуемой. И его нельзя держать внутри стен токамака, объясняет он.
Решением стал закон, сформулированный в 1988 году Мартином Гринвальдом. Он определял, сколько топлива может находиться внутри токамака в зависимости от его внутреннего радиуса и величины тока, протекающего через плазму.
Сколько энергии может дать ядерный синтез?
Предел Гринвальда рассчитан на основе экспериментальных данных . Теперь учёные решили повторно проверить, верно ли это. Они использовали данные трех токамаков: британского Joint European Torus (JET), немецкого ASDEX Upgrade и швейцарского TCV.
Результаты показали, что предел Гринвальда в два раза ниже. Это означает, что внутри токамака может быть создано в два раза больше плазмы, чем считалось ранее. Следовательно, он будет генерировать гораздо больше электроэнергии . Сколько именно, пока не известно.
Открытие очень важное. Предел Гринвальда является основой работы крупнейшего экспериментального токамака ИТЭР, строящегося во Франции . ИТЭР уже готов на 80%. Ее планируется ввести в эксплуатацию в 2025 году, после чего — с использованием полученного при ней опыта — будет построена первая термоядерная электростанция (ДЕМО) .
Таким образом, изменение предела Гринвальда означает изменение теоретических предположений, описывающих работу ИТЭР. По оптимистичным предположениям, ДЕМО начнет поставлять электроэнергию в электросети в 2050 году.