Ученые по всему миру постоянно ищут способы сделать термоядерную энергетику реальностью.
Термоядерный синтез, процесс, который питает солнце, имеет потенциал для производства чистой и обильной энергии и считается святым Граалем производства энергии. Однако было довольно сложной задачей воспроизвести этот процесс на Земле.
Именно в этом отношении ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США совершили значительный прорыв.
Они обнаружили, что простая корректировка топливной смеси может значительно повысить эффективность термоядерных реакторов.
«Синтез — это действительно очень, очень сложно, и природа не делает вам много одолжений. Поэтому удивительно, насколько значительным оказалось улучшение», — сказал Джейсон Паризи, штатный физик-исследователь в Лаборатории и первый автор исследовательской работы.
Решение проблемы трития
Термоядерные реакторы обычно используют комбинацию дейтерия и трития, оба тяжелых изотопа водорода. Но именно зависимость от трития, редкого и радиоактивного изотопа водорода, оказалась основным препятствием.
Тритий является ключевым компонентом топливной смеси, используемой в термоядерных реакторах, однако его производство обходится дорого и вызывает опасения по поводу безопасности.
Исследователи PPPL нашли способ значительно сократить количество трития, необходимого для реакций синтеза . Их подход включает в себя регулирование соотношения дейтерия и трития в топливной смеси и использование процесса, называемого спиновой поляризацией.
Спиновая поляризация выравнивает квантовые спины атомов топлива, повышая вероятность их слияния. Это повышает эффективность реакции синтеза, позволяя вырабатывать больше энергии из того же количества топлива.
Этот подход показал замечательные результаты в компьютерных моделях. Исследователи обнаружили, что даже умеренные уровни спиновой поляризации могут существенно повысить эффективность сжигания трития.
«В термоядерном устройстве тритий, как правило, не сгорает полностью, и его трудно достать. Поэтому мы хотели повысить эффективность сжигания трития», — отметил Ахмед Диалло, соавтор статьи.
Это может привести к десятикратному сокращению количества
трития, необходимого для реакций термоядерного синтеза.
Ряд практических преимуществ
Повышение эффективности приводит к нескольким практическим преимуществам. Это уменьшит количество необходимого трития, минимизируя риски, связанные с обращением и хранением этого радиоактивного материала.
«Чем меньше трития проходит через вашу систему, тем меньше его попадет в компоненты», — добавил Паризи.
Кроме того, сокращение количества необходимого трития позволяет использовать более компактные и эффективные хранилища и перерабатывающие мощности.
«При меньшем количестве трития можно уменьшить общий размер термоядерной электростанции, что упрощает ее лицензирование, размещение и строительство. В совокупности это должно снизить эксплуатационные расходы термоядерной системы», — пояснили исследователи в пресс-релизе .
Исследование PPPL является первым, изучающим потенциал спин-поляризованного топлива для повышения эффективности сжигания трития. Оно представляет собой значительный шаг вперед в исследовании термоядерной энергии.
«Это первый раз, когда исследователи изучили, как спин-поляризованное топливо может повысить эффективность сжигания трития», — заключил Джейкоб Шварц, штатный физик-исследователь и соавтор исследования.