Группа ученых разработала новый режим работы, который потенциально устраняет опасность нестабильности ядерных термоядерных реакторов. атомная энергия полностью запряжен.
В будущем термоядерные электростанции могут обеспечить устойчивое энергетическое решение для обезуглероживания планеты; однако из-за проблем с нестабильностью в настоящее время нет действующих коммерческих ядерных реакторов.
Эксперты из исследовательской группы по термоядерному синтезу в Венский технический университет и Институт Макса Планка по физике плазмы (IPP) разработали новый режим работы для преодоления этих проблем. Вместо больших и потенциально разрушительных нестабильностей их новый метод допускает множество мелких нестабильностей, которые не угрожают стенкам реактора.
Проблемы ядерного синтеза
Чтобы осуществить ядерный синтез, плазма в центре реактора должна быть очень горячей — около 100 миллионов градусов Цельсия. Кроме того, стенки реактора не должны плавиться. Это означает, что край плазмы должен быть хорошо изолирован от стенки реактора; однако часто возникают нестабильности плазмы в этой области, называемые ELM.
Во время этих событий энергичные частицы плазмы могут разбиваться о стенки реактора, что может привести к повреждению и является серьезным препятствием для разработки коммерческого реактора. В термоядерном реакторе тороидального токамака частицы сверхгорячей плазмы движутся с большой скоростью, но специальные магнитные катушки не дают частицам удариться о стенку реактора с разрушительной силой.
Фридрих Аумайр, профессор физики ионов и плазмы в Институте прикладной физики Венского технического университета, пояснил: «Однако вам также не нужно полностью изолировать плазму от стенки реактора; в конце концов, нужно добавить новое топливо и удалить гелий, образовавшийся во время синтеза».
Динамика реактора чрезвычайно сложна. Движение частицы зависит от плотности плазмы, температуры и магнитного поля. В зависимости от того, как настроены эти параметры, возможны разные режимы. Теперь исследователи разработали новый режим работы, который может предотвратить деструктивную нестабильность плазмы, называемую ELM типа I.
Устранение нестабильности
Предыдущие эксперименты показали, что если плазма слегка деформируется магнитными катушками, так что поперечное сечение плазмы больше не выглядит эллиптическим, а выглядит как закругленный треугольник, и если плотность плазмы, особенно на краю, одновременно увеличивается, тип- ELM можно предотвратить.
Лидия Радованович, которая в настоящее время работает над своей докторской диссертацией по этой теме в Венском техническом университете, прокомментировала: «Однако сначала считалось, что это сценарий, который происходит только на небольших машинах, работающих в настоящее время, таких как ASDEX Upgrade (IPP Garching) и не имеет значения для большого реактора. Однако с помощью новых экспериментов и моделирования мы смогли показать, что этот режим может предотвратить опасные нестабильности даже в диапазонах параметров, предусмотренных для таких реакторов, как ИТЭР».
Треугольная форма поперечного сечения плазмы в сочетании с управляемой инжекцией дополнительных частиц на краю плазмы приводит к возникновению множества мелких нестабильностей — тысячи раз в секунду.
Георг Харрер, ведущий автор статьи, сказал: «Эти небольшие всплески частиц ударяются о стенку реактора быстрее, чем он успевает нагреться и снова остыть. Следовательно, эти отдельные нестабильности не играют большой роли в стенке реактора».
Ряд подробных расчетов моделирования показал, что мини-неустойчивости предотвращают возникновение больших нестабильностей.
Харрер объяснил: «Это немного похоже на кастрюлю с крышкой, в которой начинает кипеть вода. Если давление продолжает расти, крышка поднимется и сильно загремит из-за выходящего пара. Но если немного наклонить крышку, то пар может непрерывно выходить, а крышка остается устойчивой и не гремит».
Новаторский режим работы термоядерного реактора группы может быть использован в различных реакторах или даже в будущих ядерных термоядерных установках.
Элизабет Вольфрум, руководитель группы IPP Garching и профессор Венского технического университета, заключила: «Наша работа представляет собой прорыв в понимании возникновения и предотвращения крупных ELM типа I. Предлагаемый нами режим работы, вероятно, является наиболее многообещающим сценарием для будущей плазмы термоядерных электростанций».
