Реакторы ядерного синтеза
Реакторы ядерного синтеза — это мощные технологии, которые могут генерировать энергию путём слияния (то есть соединения) двух лёгких атомных ядер в одно более тяжёлое. Эти реакции синтеза высвобождают большое количество энергии, которое затем можно преобразовать в электричество без выбросов парниковых газов.
Токамаки
Одной из наиболее надёжных и перспективных конструкций реакторов синтеза является так называемый токамак. Токамаки — это устройства, в которых используется магнитное поле в форме бублика для удержания и нагрева плазмы (сверхгорячего электрически заряженного газа) в течение времени, необходимого для протекания реакций синтеза.
Управление интенсивным теплом
Несмотря на потенциал производства больших объёмов чистой энергии, будущие реакторы-токамаки могут столкнуться с огромными проблемами в управлении интенсивным теплом, выделяемым в результате реакций синтеза. Некоторые части плазмы могут взаимодействовать со стенками реакторов, повреждая их и отрицательно влияя на их долговечность и производительность.
Новое решение
Исследователи из экспериментального токамака TCV в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL) недавно обнаружили новую форму плазменного излучения, которая может предотвратить перегрев токамаков. Это позволит им отводить избыточное тепло, что потенциально повысит их производительность с течением времени.
Новое решение, которое они предложили и назвали радиатором-мишенью в точке X (XPTR), было представлено в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Цитата первого автора статьи
«Снижение тепловых нагрузок на дивертор является ключевой задачей для будущих термоядерных электростанций», — сказал Кеннет Ли, первый автор статьи, в интервью Phys.org.
Принцип работы X-point radiator
«Один из перспективных подходов — использование радиатора в точке X, который рассеивает энергию плазмы вблизи точки X. Однако масштабируемость этого подхода неопределённа из-за его близости к активной зоне. Мы экспериментально исследуем эффект добавления вторичной точки X вдоль канала дивертора, чтобы расширить рабочий диапазон и сохранить удержание плазмы в активной зоне — концепция, известная как дивертор-мишень в точке X», — пояснил Ли.
В токамаках точка X — это место, где магнитные силовые линии проходят исключительно по тороидальным траекториям, что играет центральную роль в формировании плазмы и отводе тепла от активной зоны через узкую магнитную воронку, известную как «дивертор». Радиаторы в точке X — это условия работы плазмы, при которых большая часть тепла плазмы преобразуется в равномерное излучение вблизи точки X.
Результаты экспериментов
В своих экспериментах Ли и его коллеги ввели дополнительную точку X вдоль дивертора, расположенного за пределами зоны удержания плазмы. Добавление этой вторичной точки X может дополнительно способствовать отводу избыточного тепла, предотвращая повреждение токамака и повышая его долговечность.
«Мы используем уникальную гибкость магнитного формирования токамака TCV, чтобы ввести дополнительную точку X, и обнаружили локализованное излучение („XPTR“) вдали от активной зоны плазмы, которое сохраняет производительность активной зоны при значительном снижении тепловых нагрузок на дивертор», — пояснил Ли.
«Мы обнаружили, что радиатор-мишень в точке X обладает высокой стабильностью и может поддерживаться в широком диапазоне рабочих условий, потенциально предлагая гораздо более надёжный метод управления отводом энергии в термоядерной электростанции», — добавил он.
Перспективы
В ходе начальных испытаний подход, предложенный исследователями, показал себя весьма эффективным, отводя избыточное тепло от плазмы, удерживаемой магнитным полем, более эффективно, чем традиционные установки.
Эта недавно исследованная конфигурация с использованием точки X-target предназначена для внедрения в токамаках следующего поколения, разрабатываемых Commonwealth Fusion Systems в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT).
«Мы проводим новые эксперименты на больших мощностях, чтобы изучить диапазон параметров радиатора-мишени в точке X, дополняя их современными численными симуляциями, чтобы лучше понять лежащие в их основе физические механизмы», — добавил Ли.
«Токамак следующего поколения, SPARC, планирует включить дивертор-мишень в точке X в свою базовую конструкцию, что делает наши выводы своевременными и важными», — заключил он.