Чому Інститут Макса Планка хотів приготувати плазму в реакторі злиття

Немає нічого схожого на реактор злиття, щоб викликати хвилювання. Після дев'яти років будівництва та 1 мільярда євро вчені Інституту фізики плазми Макса Планка 10 грудня розпочали перше гаряче тестування пристрою злиття Wendelstein 7-X, і генерували плазму гелію, що тривала одну десяту секунди і досягла мільйона градусів Цельсія. Але поки що не надто роздумуйте. Це був лише крок до підготовки пристрою до його справжньої мети: вивчення ядерного синтезу з воднем.

Гаразд, тепер ви накачані.

Fusion вже давно є золотим телятом досліджень ядерної енергетики, який демонструє ядерний розподіл у всіх категоріях, крім доцільності. Злиття виробляє колосальну кількість енергії - це, зрештою, той самий процес, що впливає на Сонце. Але його влада робить його в заднику, щоб мати справу. Кожен побудований досі термоядерний реактор споживав більше енергії, ніж виробляв. Рекорд потужності термоядерного синтезу був встановлений у 1997 році: 16 мегаватт, вироблених з вхідною потужністю 24 МВт. Але якщо комусь вдасться повернути це рівняння навколо… Ви можете сказати дешеву енергію без вуглецю?

На відміну від свого менш складного двоюрідного брата, синтез не виробляє радіоактивних відходів. Цикл подачі водню є менш проблематичним, ніж цикл постачання урану. Чесно кажучи, сьогодні найпоширенішими джерелами водню є вугілля та природний газ, але замість водню можна виробляти електроліз.

Поділ і розплавлення однакові в двох аспектах. Обидва експлуатують перетворення атомів одного елемента в атоми іншого елемента, і обидва були вперше використані як зброя. Товстун і маленький хлопчик, що ділили бомби, скинуті на Хіросіму і Нагасакі в 1945 році, поступилися в 1952 році пристроям для злиття, як Айві Майк. (Хоча Айві Майк не був побудований як бомба, він незабаром пішов за термоядерними боєголовками багатьох мегатон, які принесли все, що можна було доставити міжконтинентальними ракетами.)

Бомба злиття була відома як H-бомба з причини: Безпрецедентний викид енергії походив від злиття атомів водню. Дослідники злиття намагаються використати цей ефект для цивільної генерації електроенергії. Виявляється, це - виклик. Злиття водню на поверхні Землі потребуватиме температур, що перевищують один мільйон градусів Цельсія. При цих температурах водень і гелій стають плазмою, четвертою формою матерії.

Але що, чорт за все, це плазма?

Коротше кажучи, плазмою є іонізований газ. У плазмі всі молекулярні зв'язки розчиняються і електрони залишають свої атоми господаря. Плазми є високопровідними, оскільки вони мають високу щільність носіїв заряду, тобто електрони і іони вільно рухаються незалежно один від одного у відповідь на електричне поле.

Хоча все це звучить екзотично, плазми роблять регулярні виступи в нашому житті. Світло від блискавок і неонових знаків походить від електронів, що рекомбінують з іонами і опускаються в нижні квантові стани, процес, відомий як спонтанне випромінювання. Деякі вогні досить гарячі, щоб іонізувати вихлопні гази, а плазмотрони, плазмові екрани і дугові зварювальники використовують всі плазми.

Але всі вони нічого не мають про плазму в реакторі синтезу. На мільйон градусів Цельсія, атоми в суп злиття є надзвичайно енергійними. Якщо вони не містяться, вони скидаються, пошкоджують апарат і не зливаються один з одним. Без стримування, ви, напевно, ніколи не досягнете мільйона градусів.

Захист є Найважливішим завданням у дослідженнях синтезу. Плазма повинна зберігатися в замкнутому просторі і не повинна торкатися стінок плавильного судини. Само собою зрозуміло, що посудину треба тримати під високим вакуумом. Wendelstein 7-X використовує 65 вакуумних насосів для утримання тиску при 0,000000001 мілібар. Єдиний реальний засіб, за допомогою якого можна обмежити іонізований газ при пекельних температурах - це утримувати його в магнітному полі. І ось тут все стає дуже складно.

Протягом багатьох років найбільш популярною конструкцією термоядерного реактора був токамак. За роки до того, як супер-комп'ютери грали в шахи, розгромили людей під Jeopardy і склали білки, вчені придумали розумні способи виготовлення правильно сформованого магнітного поля. У токамаке електричний струм, що проходить через пари плазми з зовнішніми електромагнітами, створює необхідне магнітне поле.

Не в Wendelstein 7-X. При цьому поле стримування повністю потрапляє з зовнішніх надпровідних електромагнітів. Дослідницька група використовувала суперкомп'ютер для оптимізації форми цих магнітів і усунення необхідності струму плазми. Цей стиль термоядерного реактора відомий як стелларатор.

Поки що ніхто не побудував реактор синтезу, який генерує більше енергії, ніж споживає. Навіть Wendelstein 7-X, найбільший у світі зоряний реактор, був побудований для дослідницьких цілей, а не для виробництва енергії. Але якщо ви хочете інвестувати свої надії в проект злиття, Wendelstein 7-X є гарним місцем для початку. Переконайтеся, що ви також стежите за ITER, який буде найбільшим у світі токамаком.