Пробив: Учени създадоха революционно устройство за термоядрен синтез с помощта на постоянни магнити

Екип от учени постигна голям пробив в технологията за добив на енергия чрез термоядрен синтез. Те проведоха първия по рода си „експеримент за термоядрен синтез„, използвайки постоянни магнити. Това е една изнедадващо проста техника, която потенциално може да намали цената на бъдещите електроцентрали за термоядрен синтез.

Екипът, базиран в Лабораторията по физика на плазмата в Принстън (PPPL) към Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) е пионер в разработката на този нов дизайн за термоядрена машина, наречена стеларатор.

Но какво представлява стелараторът?

Стелараторите използват сложни магнитни полета, за да ограничат плазмата – това е прегрятото състояние на материята, необходимо за подхранване на термоядрените реакции, които захранват слънцето и звездите. Ако се използва на Земята, термоядреният синтез може да предложи изобилен източник на чиста енергия. И стелараторите и токамаците са устройства, предназначени за задържане на невероятно горещата плазма, необходима за ядрения синтез.

Основната разлика е в начина, по който се създава магнитното поле, което поддържа плазмата на място. Токамаците използват силен ток, протичащ през самата плазма, заедно с външни намотки, докато стелараторите разчитат единствено на сложни, усукани намотки за оформяне на полето. Това прави стелараторите по-стабилни от токамаците по своята същност и подходящи за продължителна работа. Въпреки това понастоящем токамаците са по-добри в поддържането на плазмата гореща. Учените се надяват в бъдеще да използват стелараторите като електроцентрали, като потенциално възпроизведат процеса на термоядрен синтез, който протича в звезди като нашето Слънце.

Защо магнитите са важни

Традиционно стелараторите създават сложните си магнитни полета с помощта на прецизно конструирани и скъпи електромагнити. Иновативното устройство на екипа на PPPL, наречено MUSE обаче разчупва този модел.

Вместо на електромагнити, устройството разчита на постоянни магнити – същите, които се намират в хладилника ви. Това драстично опростява конструкцията.

„Използването на постоянни магнити е напълно нов начин за проектиране на стеларатори. Тази техника ни позволява бързо да тестваме нови идеи за задържане на плазмата и лесно да конструираме нови устройства“.

обяснява дипломантът Тони Циан, чиито изследвания са ключови за разработването на MUSE

Интелигентният дизайн на MUSE не е свързан само с достъпността. Учените са предполагали, че постоянните магнити могат да се използват по този начин, но са били необходими десетилетия, за да се справи някой с това. Старши физикът в PPPL Майкъл Зарнсторф за първи път осъзнава потенциала им през 2014 година.

„Осъзнах, че постоянните магнити могат да генерират и поддържат магнитните полета, необходими за ограничаване на плазмата, за да могат да се осъществят реакциите на термоядрен синтез.“

разкрива той

Предимството на стеларатора (и неговите проблеми в миналото)

Стелараторите имат предимство пред популярната алтернативна конструкция на машина за термоядрен синтез, известна като токамак. Токамаците също използват магнитни полета, но разчитат на електрически токове, протичащи в самата плазма. Тези токове могат да бъдат нестабилни, което затруднява поддържането на реакциите на термоядрен синтез. Стелараторите нямат този проблем, което им позволява да работят непрекъснато.

Уловката? Традиционните магнити на стелараторите са известни с това, че са трудни за проектиране и производство. Това инженерно предизвикателство е довело до изоставането на проекта, въпреки потенциалното му предимство. MUSE обаче би могъл да промени изцяло играта със своите леснодостъпни и лесно оформени магнити.

Дизайнът на MUSE въплъщава изключително важно теоретично свойство, наречено квазисиметрия. Това означава, че макар формата на стеларатора да изглежда неправилна, силата на магнитното му поле е забележително постоянна. Тази равномерност помага да се запази плазмата в чист вид, което прави синтеза по-вероятен. MUSE е проектиран така, че да бъде изключително квазисиметричен – далеч надминавайки предишните стеларатори.

Сега екипът на PPPL се подготвя за експерименти за анализ на квазисиметрията на MUSE, които ще дадат важна представа за това колко добре ще работи той в действителност. В крайна сметка успехът на MUSE предлага поглед към бъдещето, в което термоядрените електроцентрали са по-достъпни и по-евтини, а постоянните магнити играят главна роля в тази революция на чистата енергия.