Система диагностики потока нейтронов высокого разрешения (HRNS) для реактора ITER
В реакторе ITER, который строится более десяти лет, будет собрана информация о текущем состоянии плазмы и мощности, выделяемой в ядерных реакциях. Это станет возможным благодаря сложной системе диагностики потока нейтронов.
Важный элемент системы диагностики плазмы в этом реакторе — спектрометр высокого разрешения (HRNS)
Физики и инженеры из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове, Уппсальского университета и Института науки и технологий плазмы в Милане разработали спектрометр совместно с Организацией ITER.
Спектрометр, разработанный учёными, позволяет измерять как количество, так и энергию нейтронов, испускаемых плазмой во всём диапазоне мощности термоядерного синтеза, ожидаемом для реактора ITER. Это даёт информацию о пропорциях дейтерия и трития — изотопов водорода, которые объединяются внутри реакторной камеры.
Доктор Ян Данковски (IFJ PAN), первый автор статьи, описывающей спектрометр, говорит: «Измерение популяции быстрых нейтронов от двух доминирующих реакций в плазме является прямым индикатором состава топлива, ионной температуры и качества сгорания. В ITER и будущих реакторах это будет ключевым инструментом для контроля и оптимизации работы реактора».
Термоядерная энергия — «зелёная» энергия
Термоядерная энергия может быть описана как «зелёная». Энергия генерируется здесь аналогично тому, как она генерируется внутри звёзд, то есть посредством реакций ядерного синтеза, наиболее перспективной из которых является синтез изотопов водорода (дейтерия и трития) в гелий.
Дейтерий в огромных количествах содержится в океанах Земли, а тритий не нужен в больших количествах и в будущем может производиться в самом реакторе (путём бомбардировки более доступного лития нейтронами). Реакция синтеза не является цепной, поэтому она не может привести к взрыву и распространению большого количества высокорадиоактивных материалов.
К сожалению, несмотря на огромный потенциал, термоядерная энергия всё ещё находится в стадии исследований и разработок. Практическая реализация может занять несколько лет — с постройкой токамака DEMO, моста между экспериментальными реакторами и термоядерной электростанцией.
Ядра изотопов водорода образуют плазму
Ядра изотопов водорода образуют плазму, которая, будучи электрически заряженной, может удерживаться в изоляции от стенок магнитным полем внутри тороидальной вакуумной камеры реактора (такие реакторы называются токамаками). В настоящее время эту плазму необходимо дополнительно нагревать до температуры 150 миллионов кельвинов, что гарантирует правильное протекание реакции.
Высокоэнергетические нейтроны, образующиеся при синтезе, будучи электрически нейтральными, устремляются к стенкам токамака, позволяя возвращать большую часть производимой энергии (и в конечном итоге создавая тритий при столкновениях с литием).
Формирование ядер гелия будет иметь фундаментальное значение для эффективности будущих термоядерных реакторов. Обладая высокой энергией и электрическим зарядом, они будут оставаться внутри плазмы в магнитном поле токамака и при последующих столкновениях с дейтерием и тритием будут снижать собственную энергию, в конечном итоге увеличивая энергию термоядерного топлива.
Реактор ITER
Реактор ITER, строящийся во Кадараше, Франция, с 2007 года, с бюджетом, превышающим в настоящее время 20 миллиардов долларов, и планируемым запуском в середине следующего десятилетия, пока не будет использовать ядра гелия для нагрева плазмы. Несмотря на это ограничение, ожидается, что он будет генерировать до десяти раз больше энергии, чем потребляет, в конечном итоге достигнув выходной мощности в 500 мегаватт.
Спектрометр HRNS будет установлен за толстой бетонной защитной стеной, окружающей термоядерную камеру, рядом с отверстием диаметром несколько сантиметров, чтобы можно было обнаружить нейтроны, образующиеся в самом центре плазмы.
Использование камеры-обскуры для создания высокопроизводительной системы визуализации в среднем инфракрасном диапазоне
Исследователи использовали идею камеры-обскуры, существующую уже несколько веков, для создания высокопроизводительной системы визуализации в среднем инфракрасном диапазоне без линз. Новая камера может снимать чрезвычайно чёткие изображения на большом расстоянии и при слабом освещении, что делает её полезной для ситуаций, сложных для традиционных камер.
Линза не нужна
«Многие полезные сигналы находятся в среднем инфракрасном диапазоне, такие как тепло и молекулярные отпечатки пальцев, но камеры, работающие на этих длинах волн, часто шумные, дорогие или требуют охлаждения», — сказал руководитель исследовательской группы Хепинг Цзэн из Восточно-Китайского педагогического университета. «Более того, традиционные установки на основе линз имеют ограниченную глубину резкости и требуют тщательного проектирования, чтобы минимизировать оптические искажения. Мы разработали высокочувствительный подход без линз, который обеспечивает гораздо большую глубину резкости и поле зрения, чем другие системы».
В журнале Optica исследователи описывают, как они используют свет для формирования крошечного «оптического отверстия» внутри нелинейного кристалла, который также превращает инфракрасное изображение в видимое. Используя эту установку, они получили чёткие изображения в среднем инфракрасном диапазоне с глубиной резкости более 35 см и полем зрения более 6 см. Они также смогли использовать систему для получения трёхмерных изображений.
«Этот подход может повысить безопасность в ночное время, контроль качества в промышленности и мониторинг окружающей среды», — сказал член исследовательской группы Кун Хуан из Восточно-Китайского педагогического университета. «И поскольку в нём используется более простая оптика и стандартные кремниевые датчики, это может в конечном итоге сделать системы инфракрасной визуализации более доступными, портативными и энергоэффективными».
Камера-обскура — один из старейших методов создания изображений, впервые описанный китайским философом Мози в IV веке до нашей эры. Традиционная камера-обскура работает, пропуская свет через крошечное отверстие в светонепроницаемом ящике, проецируя перевёрнутое изображение сцены снаружи на противоположную поверхность внутри. В отличие от линзовой визуализации, камера-обскура позволяет избежать искажений, имеет бесконечную глубину резкости и работает в широком диапазоне длин волн.