Исследователь предлагает бомбардировать так называемые «убегающие электроны», которые разрушают стенки реактора, частицами одного из самых прочных природных материалов в мире. Под бомбардировкой понимают метод ионизации нестойких соединений.
Исследования в области ядерного синтеза за последние годы достигли значительного прогресса. Однако одна из самых больших проблем до сих пор не решена полностью.
Токамак-реактор KSTAR. Фото: Национальный научно-исследовательский институт термоядерного синтеза, Корея
Чтобы состоялся ядерный синтез, температура плазмы в термоядерных реакторах должна поддерживаться при температуре 150 миллионов градусов Цельсия – в 10 раз горячее, чем на Солнце. Любой материал на Земле расплавится, поэтому плазма удерживается от стенок реактора с помощью магнитного поля. Если это не сработает, плазменная струя за очень короткое время прожигает дыру в реакторе. Ремонт может занять несколько недель, пока термоядерная установка остановлена.
Чтобы предотвратить это, Майкл Лайвли хочет использовать так называемый «вольфрамовый дробовик» (с англ. shotgun), как он сам его назвал, сообщает Национальная лаборатория Лос-Аламоса.
Плазма в реакторах токамака создается, когда гигантские электромагниты ускоряют поток электронов, заряженных частиц и изотопов водорода. Когда температура плазмы достигает более 100 миллионов градусов Цельсия, начинается ядерный синтез водорода, выделяющий энергию в виде тепла. Это решение используется для выработки электроэнергии с помощью паровой турбины. Процесс также является частью цепной реакции, поддерживающей работу плазмы.
В идеальных условиях магнитное поле укротило бы плазму в реакторе, чтобы она не касалась стенок и не повреждала их. Однако этого идеального состояния на самом деле не существует, особенно когда термоядерные реакторы выходят из экспериментальной фазы и должны производиться в больших количествах для выработки энергии на электростанциях.
Даже минимальные механические вибрации или крошечные ошибки в магнитном поле могут привести к тому, что некоторые электроны станут горячее, чем сама плазма. Их называют «убегающими (или ускользающими) электронами». Вначале они проходят вдоль линий магнитного поля в реакторе. В результате дальнейших процессов нестабильность может в конечном итоге стать настолько высокой, что температура плазмы быстро упадет. Линии магнитного поля смещаются, убегающие электроны берут на себя ток плазмы, и луч плазмы, нагретой до 100 миллионов градусов, ударяется о стенку реактора.
«Одного инцидента может быть достаточно, чтобы луч пробил дыру в вольфрамовой стенке реактора», — говорит Лайвли.
Это приведет не только к высоким затратам на ремонт: реактору придется на некоторое время прекратить работу, что может поставить под угрозу энергоснабжение региона.
Чтобы избежать этого ущерба, Лайвли хочет использовать технологию, которую он называет вольфрамовым дробовиком. Вольфрам — один из самых прочных природных материалов в мире, поэтому его используют при строительстве токамаков.
Лайвли называет эту технику дробовиком, потому что он хочет стрелять (или точнее распылять) частицы вольфрама в реакторе. Эти частицы предназначены для перехвата убегающих электронов. По его расчетам, первоначальные результаты являются многообещающими.
«Убегающий электрон разрушается почти сразу», — говорит Лайвли.
Согласно расчетам, частицы вольфрама поглотят 8% электронов. Остальные 92% будут рассеяны так, что больше не смогут образовывать концентрированную струю и, следовательно, больше не будут опасны для стенок реактора.
Лайвли также утверждает, что обнаружил, что время жизни убегающих электронов составляет всего около 130 наносекунд. Однако частицы вольфрама могут выжить в термоядерном реакторе в течение 100 000 наносекунд. Это означает, что когда убегающие электроны обнаруживаются в реакторе впервые, один «выстрел» из вольфрамового дробовика может предотвратить образование дальнейших убегающих электронов на достаточно долгое время, чтобы они не накапливались до тех пор, пока плазма снова не стабилизируется.
В настоящее время не существует способа полностью предотвратить образование убегающих электронов. Таким образом, подобные методы могут внести важный вклад в обеспечение действительно эффективного использования ядерного синтеза для производства энергии.
Лайвли рассматривает свою технологию как «последнюю линию защиты», используемую в сочетании с другими методами. Вместо того, чтобы тратить много времени и денег на решение, которое полностью подавляет убегающие электроны, можно было бы использовать более дешевую конструкцию, которая частично предотвращает их образование. Это решение могло бы предотвратить повреждение реактора.
Пока проект работает только в теории. По словам Лайвли, следующим шагом будет создание прототипа. Когда работа будет завершена, конструкцию можно будет испытать в экспериментальном термоядерном реакторе. В своем исследовании Лайвли упоминает установки ИТЭР и SPARC.
ИТЭР в настоящее время строится во Франции, и ожидается, что он начнет работу не раньше 2034 года. Значительно меньший SPARC будет построен недалеко от Бостона, и его планируется ввести в эксплуатацию уже в 2026 году.
