Пореден рекорд в областта на термоядрения синтез: 6 минути високотемпературна плазма

Реакторът за термоядрен синтез в Южна Франция, който се нарича WEST, току-що постигна важен етап. Той ни приближава с още една стъпка към чистата, устойчива и почти неограничена енергия.

Учени от Лабораторията по физика на плазмата в Принстън, Ню Джърси, които работят съвместно по проекта, обявиха днес, че устройството е създало свръх горещ материал. Това е плазма, с температура от 90 милиона градуса по Фаренхайт (50 милиона градуса по Целзий), която е останала стабилна в продължение на 6 минути.

Крайната цел е да се поддържа свръхгореща плазма в продължение на много часове, но тези 6 минути са нов световен рекорд за устройство като WEST. Другите термоядрени реактори, подобни на WEST, са създавали по-нагорещена плазма, но досега никой не е успявал да я задържи устойчива толкова дълго време.

WEST е реактор от типа „токамак“. Това е реактор за термоядрен синтез с формата на поничка с размерите на стая с размери 8 на 8 фута (2,44х2,44 метра) и таван с височина 8 фута (също 2,44 метра). Той е способен да генерира същия вид енергия, която захранва нашето Слънце. Ето защо учените понякога наричат тези съоръжения „изкуствени слънца“.

„Това, което се опитваме да направим, е да създадем слънце на Земята“, казва Луис Делгадо-Апарисио, ръководител на напредналите проекти на PPPL, пред Business Insider. „А това е изключително, изключително трудно“,

каза още той.

Този нов рекорд съвсем ясно показва, че те са се насочили в правилната посока.

Слънцето работи на принципа на ядрения синтез. При тази реакция атомните ядра се съединяват и освобождават енергия. Това не трябва да се бърка с процеса на ядрено делене (когато атомните ядра се разделят и освобождават енергия), който захранва днешните ядрени реактори.

Енергията от термоядрения синтез е по-мощна от всяка друга форма на енергия, с която разполагаме днес. Ако успеем да овладеем тази сила, тя би могла да произведе почти 4 милиона пъти повече енергия на килограм гориво, отколкото изкопаемите горива. Освен това тя не отделя въглерод.

Преди това да стане реалност, остават значителни предизвикателства и тук се намесват експерименталните реактори като WEST.

Макар че WEST няма да се използва за генериране на термоядрен синтез за електричество за захранване на домовете, той е от решаващо значение за изследванията, които полагат основите на бъдещите промишлени реактори.

WEST създава повече енергия и положи основите на ITER

WEST има много общо с ITER, намиращия се наблизо реактор, който се изгражда в Южна Франция и който след завършването си ще бъде най-големият в света токамак, способен да поддържа самостоятелно изключително гореща плазма. Създаването на тази самонагряваща се смес е решаваща стъпка към използването силата на термоядрения синтез за комерсиални цели.

Въпреки това, поради проблеми с разходите и развитието на новите технологии, не е ясно кога ITER ще бъде завършен. Междувременно в някои други много перспективни съоръжения се провеждат експерименти, за да се разбере как най-добре да се експлоатира гигантският реактор. Сред тях е и WEST.

Двата реактора са практически съседи, каза Делгадо-Апарисио. А и експериментите в реактора WEST са пряко приложими за ITER.

За да се осъществи термоядрен синтез на Земята, горивото трябва да достигне поне 50 милиона градуса по Целзий. Една от основните пречки пред термоядрената енергия е, че за генерирането на тези екстремни температури е необходимо огромно количество енергия. Но засега реакторите не могат да поддържат плазмата достатъчно дълго, за да се получи енергиен излишък, който може да се използва за търговски цели. Затова засега термоядрените реактори консумират повече енергия, отколкото произвеждат.

Последният пробив на WEST не прави изключение. Въпреки това той генерира 15% повече енергия от термоядрен синтез в сравнение с предишните опити, съобщава PPPL. Освен това плазмата е била два пъти по-плътна, което е друг важен компонент за създаването на повече енергия.

Ключът към рекордния успех на WEST: волфрамът

WEST помага на учените да тестват най-добрите материали за изграждане на стените в един реактор за термоядрен синтез. Това съвсем не е лесно, тъй като тази среда може да достигне температури, повече от три пъти по-високи от тези в центъра на Слънцето.

Първоначално WEST имаше въглеродни стени. Делгадо-Апарисио казва, че макар въглеродът да е лесен за работа, той също така абсорбира трития. Това е рядък изотоп на водорода, който подхранва реакцията на термоядрения синтез.

„Представете си, че имате стена, която е не само стена, но и някакъв вид гъба“, каза той, „гъба, която поглъща вашето гориво“.

Затова през 2012 г. учените решават да изпробват друг материал за стените на токамака. Това е волфрамът – същият материал, който ITER ще използва за някои от основните си компоненти.

Поради способността на волфрама да издържа на топлина, без да поглъща тритий, Делгадо-Апарисио смята, че той е идеалният материал за стените на токамака.

Въпреки това волфрамът не е идеален. Един от недостатъците му е, че може да се разтопи и да навлезе в плазмата, като я замърси. Това от своя страна може да противодейства на процеса на термоядрен синтез. Това става чрез излъчване на много енергия навън и в резултат на това плазмата се охлажда.

Ето защо, за да оптимизират системата, учените трябва да разберат как точно се държи волфрамът и как взаимодейства с плазмата. Точно това правят изследователите с помощта на WEST.

Екипът на PPPL например модифицира своя диагностичен инструмент, който беше използван в последния експеримент на WEST. Инструментът е помогнал на екипа да измери с голяма точност температурата на плазмата, за да разбере по-добре как волфрамът мигрира от стената на устройството към плазмата.

„Можем да открием как той се движи вътре, можем да го проследим, можем да изучим транспортирането му вътре в машината“, каза Делгадо-Апарисио. Това може да помогне за изграждането на бъдещи методи за поддържане на плазмата без примеси като капчици волфрам, които я охлаждат“.

„Сега разбираме как трябва да се погрижим за това охлаждане“, каза той, „и този опит ще бъде използван в съседния проект ITER“.

WEST и ITER не са единствените реактори, в които се използва волфрам.

Commonwealth Fusion Systems (CFS), например, използва волфрамови стени за SPARC, своя демонстрационен реактор за термоядрен синтез. Корейският KSTAR пък разполага с волфрамов дивертор и наскоро демонстрира 30-секундна плазма с температура 100 милиона градуса.

Дали волфрамът ще се окаже ключът към отключването на комерсиалната енергия от термоядрения синтез, предстои да разберем.

Комерсиалната енергия от термоядрен синтез вероятно все още е на десетилетия отстояние, но Делгадо-Апарисио смята, че се правят стъпки към „тази голяма цел – да се даде енергия на човечеството“.