Приблизились к созданию неисчерпаемого источника энергии

Российские физики из Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге описали ионные процессы переноса тепла в сферическом токамаке. Результаты исследования, которое еще на один шаг приближает ученых к решению задачи термоядерного синтеза, опубликованы в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion. Если ученым удастся реализовать идею управляемого термоядерного синтеза, человечество получит практически неисчерпаемый источник энергии.

Термоядерные электростанции признаются безопасными и экологически чистыми: по сравнению с атомными, в них не происходит взрывных реакций, а в отличие от сжигания углеводородов — нет выбросов углекислого газа и оксидов азота, способствующих глобальному потеплению и загрязняющих окружающую среду. Более того, полученные при термоядерном синтезе нейтроны могут разрушать радиоактивные отходы на атомных электростанциях.

Эксперименты по термоядерному синтезу ведутся во всем мире на специальных установках — токамаках, внутри которых газ легких элементов — водорода, дейтерия и трития — нагревают до температуры 100 миллионов градусов, что позволяет образовать плазму — газ из заряженных частиц: ионов и электронов. Разогретые ионы плазмы сталкиваются друг с другом так же, как это происходит в недрах Солнца. При этом образуются ядра гелия и выделяются нейтроны, а энергия нейтронов, которая превышает затраты на разогрев плазмы, может использоваться в промышленности и энергетике.

Основная задача физиков — научиться удерживать плазму внутри термоядерных установок с помощью сильного магнитного поля в течение относительно долгого времени. А для этого нужно не просто знать, какие процессы протекают в этой плазме, но и иметь их математическое описание, чтобы иметь возможность управлять ими. Кроме того, знание ионных процессов в плазме необходимо для проектирования крупных установок типа международного экспериментального термоядерного реактора ITER.
В ФТИ имени А. Ф. Иоффе имеется уникальная экспериментальная термоядерная установка — сферический токамак «Глобус-М», предназначенный для изучения поведения плазмы в лабораторных условиях, а не в реакторном режиме. Сотрудники института исследовали и описали процесс ионного теплообмена в плазме токамака «Глобус-М». Работа была поддержана грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).

https://youtu.be/Q-g497vmF34

«Мы подтвердили, что особенности физических процессов в плазме сферического токамака «Глобус-М» препятствуют возникновению дополнительных потерь тепла по ионному каналу из-за турбулентности плазмы. Это значит, что установка такого типа является хорошей основой для создания компактного источника термоядерных нейтронов», — приводятся в пресс-релизе РНФ слова руководителя исследования, кандидата физико-математических наук Глеба Курскиева.

Термоядерный синтез тем эффективнее, чем лучше нагрев плазмы, а это требует сильного магнитного поля и электрического тока, протекающего по плазме. Наоборот, турбулентность ионов плазмы мешает эффективному нагреву: вместо полезных столкновений ионы отклоняются и уходят из плазмы, что нарушает ее теплоизоляцию. В своей работе ученые оценили степень переноса тепла в сферическом токамаке «Глобус-М».

«Экспериментально подтвержденная модель для расчета параметров нагрева плазмы позволит спроектировать компактный источник высокоэнергичных нейтронов, которые можно использовать для деления тяжелых ядер. В процессе также можно получать энергию. Наше исследование существенно ускорит разработку и внедрение более эффективных ядерных систем, использующих процессы как синтеза, так и деления», — поясняет Глеб Курскиев. Исследование ученых дополняет фундаментальные знания, полученные в экспериментах на похожих европейских и американских установках. Объединив результаты экспериментов, в дальнейшем можно будет спроектировать более совершенное устройство для ядерных реакций синтеза, считают ученые.