Ученые обнаружили, что 30 лет ошибались в понимании физики термоядерной плазмы

Будущие термоядерные реакции внутри токамаков могут производить гораздо больше энергии, чем считалось ранее, благодаря новаторским новым исследованиям, которые обнаружили, что основной закон для таких реакторов неверен. Об этом сообщает Live Science.

Токама́к — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза.

Исследование, проведенное физиками из Швейцарского центра плазмы при Федеральной политехнической школе Лозанны (EFPL), определило, что максимальная плотность водородного топлива примерно в два раза превышает «предел Гринвальда» — оценки, полученной в результате экспериментов более 30 лет назад.

Открытие того, что термоядерные реакторы действительно могут работать с плотностью водородной плазмы, намного превышающей предел Гринвальда повлияет на работу массивного токамака ИТЭР, строящегося на юге Франции, и сильно повлияет на конструкции преемников ИТЭР, называемых DEMO, сообщил физик Паоло Риччи из Швейцарского плазменного центра.

Ученые работали более 50 лет, чтобы сделать управляемый синтез реальностью; в отличие от ядерного деления ядерный синтез может генерировать еще больше энергии за счет соединения очень маленьких ядер. Процесс термоядерного синтеза создает гораздо меньше радиоактивных отходов, чем ядерный, а богатый нейтронами водород, который он использует в качестве топлива, сравнительно легко получить.

Тот же процесс питает звезды, такие как Солнце, поэтому управляемый синтез сравнивают со «звездой в банке». Но поскольку очень высокое давление в сердце звезды невозможно на Земле, термоядерные реакции здесь требуют температур выше, чем у Солнца.

Температура внутри токамака TCV , например, может быть более 216 миллионов градусов по Фаренгейту (120 миллионов градусов по Цельсию) — почти в 10 раз больше температуры термоядерного ядра Солнца, что составляет около 27 миллионов по Фаренгейту (15 миллионов по Цельсию).

Некоторые исследователи считают, что первый токамак, который будет генерировать электроэнергию для сети, может заработать к 2030 году.

В основе новых расчетов лежит предел Гринвальда, названный в честь физика Массачусетского технологического института Мартина Гринвальда. В 1988 году он экспериментальным путем вывел предельный показатель плотности в зависимости от внутреннего радиуса токамака и объема электрического тока, проходящего через плазму. На протяжении более 30 лет этот предел считался законом.

По словам Риччи, хотя ученые давно подозревали, что предел Гринвальда можно улучшить, это было основополагающим правилом исследований термоядерного синтеза более 30 лет. Например, это руководящий принцип конструкции ИТЭР.

Последнее исследование, однако, расширяет как эксперименты, так и теорию, которые Гринвальд использовал для получения своего предела, что приводит к гораздо более высокому пределу плотности топлива, который увеличит мощность ИТЭР и повлияет на конструкции будущих реакторов.

По словам Риччи, ключом было открытие того, что плазма может поддерживать большую плотность топлива по мере увеличения выходной мощности реакции синтеза.

Он говорит, что пока невозможно узнать, как такое большое увеличение плотности топлива повлияет на выходную мощность токамаков, но, вероятно, оно будет значительным; и исследования показывают, что большая плотность топлива облегчит эксплуатацию термоядерных реакторов.

«Это упрощает достижение безопасных и устойчивых условий синтеза», — сказал он. «Это позволяет нам выйти на нужный режим, чтобы термоядерный реактор мог работать должным образом».