Ученые предлагают решение основной проблемы на пути синтеза энергии

Физики нашли возможное решение загадки, долгое время сбивавшей с толку ученых, работавших над использованием синтеза. Если открытие подтвердится экспериментально, исследователям, возможно, удастся устранить основное препятствие на пути использования синтеза в качестве чистого и доступного источника энергии для производства электроэнергии.

Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (ПЛФП)Министерства энергетики СШАпри проведении углубленного анализа основное внимание уделили крошечным пузыреобразным островкам, появлявшимся в горячих, заряженных газах – или плазмах – во время экспериментов.

Эти мельчайшие островки собирают примеси, которые охлаждают плазму. Согласно докладу, опубликованному 20 апреля в журнале «PhysicalReviewLetters», именно эти островки лежат в корне проблемы, известной как «предельная плотность», которая мешает термоядерным реакторам работать на полную мощность.

Синтез происходит, когда плазмы становятся достаточно горячими и плотными для того, чтобы атомные ядра, содержащиеся в горячем газе, соединялись и освобождали энергию. Но когда плазмы в экспериментальных реакторах, называемых токамаки, достигают таинственной предельной прочности, они могут раскрутиться по спирали и вызвать вспышку света.

«Остается загадкой, почему при добавлении теплотворной способности к плазме мы не получаем большей плотности», − рассказывает Дэвид А. Гейтс, ведущий физик-экспериментатор ПЛФП и соавтор Луиса Дельгадо-Апарисио, докторанта ПЛФП и приглашенного ученого в Центре изучения плазмы и синтеза Массачусетского технологического института. «Это крайне важно, так как плотностьявляется ключевым параметром достижения синтеза, и это оставалось для нас загадкой на протяжении 30 или 40 лет».

Ученые, по словам Гейтса, восприняли их теорию «десятиминутным «Ага!». При проведении расчетов на доске в кабинете Гейтса физики сосредоточились на островках и примесях, охлаждающих плазму. Примеси появляются из-за частиц, которые плазма отщепляет от стен токамака. «Когда достигаешь магической предельной плотности, островки растут и объединяются, и плазма распадается»,− объясняет Дельгадо-Апарисио.

По словам исследователей, фактически эти островки наносят двойной ущерб. Помимо охлаждения плазмы, островки, как щит, блокируют добавочную энергию. Баланс нарушается, когда из островков выделяетсябольше энергии, чем ученые могут добавить в плазму посредством так называемого омического нагрева – таким же образом нагревается тостер при прохождении сквозь него электричества.

Когда островки становятся достаточно большими, электрический ток, помогающий нагреть и ограничивать плазму, ослабевает, и плазма разлетается.

Гейтс и Дельгадо-Апарисио надеются экспериментально проверить свою теорию втокамаке под названием «AlcatorC-Mod», расположенном в Массачусетском технологическом институте, и токамаке «DIII-D», работающем в компании «GeneralAtomics» в Сан-Диего. Прежде всего они надеются узнать, приведет ли добавление энергии непосредственно в островки к большей плотности. Если да, то в будущем токамаки смогут достигать необычайной плотности и температуры свыше 100 миллионов градусов, необходимых для синтеза.

Теория ученых демонстрирует новаторский подход к предельной плотности, известной также как «предел Гринвальда», по имени физика Мартина Гринвальдаиз Массачусетского технологического института, который вывел уравнение, описывающее ее. У Гринвальда есть еще одно потенциальное объяснение источника предела.

По его мнению, так может происходить, когда турбулентность создает колебания, которые охлаждают край плазмы и пускают слишком много тока в слишком маленькое пространство в ядре плазмы, что приводит к нестабильности и ослабеванию тока.

«Существует достаточно доказательств этому»,− утверждает он. Тем не менее, ученый добавляет: «Это не чудесная история, где есть начало и конец. Мы должны всегда оставаться открытыми новым идеям».

Гейтс и Дельгадо-Апарисио свели свою теорию воедино из множества фактов, ставших известными в последние десятилетия. Гейтс впервые услышал о предельной плотности во время работы докторантом вКулхэмскомцентре изучения энергии синтезав Абингдоне, Англия, в 1993 году. Предел тогда назывался в честь кулхэмского ученого Яна Хагилла, который детально описал его Гейтсу.

Отдельные факты о плазменных островках начали появляться в научных кругах довольно давно. Французский физик Поль-Анри Ребю описал движимые теплоизлучением островки в докладе на конференции в середине 1980-х годов, но не в журнале.Десятилетие спустя немецкий физик Вольфганг Суттроппредположил, что островки связаны с предельной плотностью.

«Его доклад стал отправной точкой нашей идеи, но он не привязал островки непосредственно к пределу Гринвальда», − сообщил Гейтс, работавший с Суттропом над экспериментом в токамакев Институте физики плазмы Макса Планка в Гархинге, Германия, в 1996 году – за год до того, как перешел в ПЛФП.

В начале 2011 года Гейтс мало думал о плазменных островках. Но речь Дельгадо-Апарисио о том, что, возможно, эти островки появляются в плазмахв токамаке«AlcatorC-Mod», возродила его интерес. Дельгадо-Апарисио говорил о штопорообразном феномене под названием змеи, который впервые наблюдали ученые из ПЛФП в 1980-х годах, а первым сообщил о нем немецкий физик Артур Веллер.

Заинтересованный разговором, Гейтс попросил Дельгадо-Апарисио ознакомиться с работами Ребю и Суттропа по этой теме. Спустя восемь месяцев Гейтс получил электронное сообщение от Дельгадо-Апарисио. Оно содержало описание поведения змей, которое прекрасно вписывалось в модель «C-Mod». «Я воскликнул: «Вот это да! Он значительно продвинулся, − вспоминает Гейтс. − Я сказал, что мы должны встретиться и обсудить это».

Более всего обрадовало Гейтса уравнение для роста островков, которое было связано с предельной плотностью, но требовалосьпреобразование формулы, открытой британским физиком Полом Хардингом Резерфордом в 1980-х годах. «Я подумал: «Если Вольфганг (Суттроп) был прав насчет островков, это уравнение даст нам значение предела Гринвальда, −рассказывает Гейтс. −Так что когда Луис прибыл, я спешно проводил его в свой офис».

Затем произошло нечто любопытное. «Оказалось, нам не требовалось уравнение целиком, − рассказывает Гейтс. − Все было намного проще». Концентрируясь лишь на плотности электронов в плазме и тепле, испускаемом островками, ученые вывели формулу, по которой потеря тепла превышает плотность электронов. Это, всвою очередь, точно описывает механизм за пределом Гринвальда.

Дельгадо-Апарисио был настолько поглощен новыми идеями, что пропустил несколько поворотов на обратном пути в Кембридж. «Попытки объяснить мать-природу очень захватывают, − говорит он. − Когда понимаешь теорию, можно попытаться опровергнуть ее. Под этим я понимаю найти способ работать при плотностях, превышающих предел».

Превышение предела поможет в будущемвнестив работу токамаковопределенные усовершенствования,необходимые для проведения самоподдерживающихся реакций синтеза, или «горящих плазм»,для производства электроэнергии. Подобные механизмы включают преемников МТЭР, Международного термоядерного экспериментального реактора – например, экспериментальный реактор стоимостью 20 миллионов долларов, который строится в Кадараше (Франция) силами Европейского союза, Соединенных Штатов и пяти других стран.

Почему ученые раньше не выдвинулиподобную теорию касательно предельной плотности? Ответ, говорит Гейтс, заключается в том, как распространяются идеи в научном мире.

«Идея движимыхтеплоизлучением островков никогда широко не освещалась, − сетует он. − Их считали редкостью, феноменом. Мы распространяем информацию посредством публикаций, а у этой идеи слабая база».

ПЛФП в Плейнсборо, штат Нью-Джерси, стремится как к получению новых знаний о физике плазм – сверхгорячих, заряженных газов – так и к разработке практических решений в области синтеза энергии. Посредством синтеза, постоянно происходящего на солнце и других звездах, вырабатывается энергия, когда ядра двух легких атомов – например,водорода –соединяются в плазме при очень высоких температурах. Когда такое происходит, освобождается энергия, которую можно использовать для производства электроэнергии.

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.energy-daily.com/reports/Scientists_propose_a_solution_to_a_critical_barrier_to_producing_fusion_999.html