Учені й інженери Центру вивчення плазми та термоядерного синтезу Массачусетського технологічного інституту зробили крок уперед у гонитві за чистою енергією. Команда встановила новий світовий рекорд із тиску плазми в термоядерному реакторі токамак Alcator C-Mod.
Тиск плазми є основним елементом для виробництва енергії в процесі термоядерного синтезу, і вперше новий результат МІТ сягнув понад 2 атмосфер. Лідер і старший науковий співробітник Alcator Ерл Мармар надасть звіт Міжнародного агентства з атомної та термоядерної енергії на конференції 17 жовтня в Кіото, Японія.
Термоядерний синтез має потенціал для виробництва майже необмежених запасів чистої, безпечної, зневуглецьованої енергії. Синтез – це той самий процес, що живить сонце, він може бути реалізований у реакторах, що імітують умови надгарячих мініатюрних “зірок” плазми (розігрітого газу), що містяться в магнітному полі. Упродовж понад 50 років було відомо, що для забезпечення життєздатності синтезу на поверхні Землі плазма має бути дуже гарячою (більш як 50 мільйонів градусів), вона має бути стабільною під сильним тиском та міститися у фіксованому обсязі.
Для успішного синтезу також треба, щоб продукт як добуток трьох чинників (щільності частинок плазми, часу утримання та температури) досяг певного значення. Вище за це значення (так званий “потрійний продукт”) енергія, що виділяється в реакторі, перевищує енергію, необхідну для продовження реакції.
Тиск, що є продуктом щільності та температури, становить близько двох третин від цієї проблеми. Кількість виробленої енергії збільшується з площею тиску, так подвоєння тиску приводить до чотирикратного збільшення виробництва енергії.
Протягом 23 років Alcator C-Mod перебуває в експлуатації Массачусетського технологічного інституту, рекорд тиску плазми в пристрої магнітного утримання досягався неодноразово. Попередній рекорд 1,77 атмосфер встановлено 2005 р. (також в Alcator C-Mod). Встановлюючи новий рекорд у 2,05 атмосфер, результат був поліпшений на 15 відсотків, температура всередині Alcator C-Mod сягнула понад 35 мільйонів градусів за Цельсієм, удвічі перевищивши температуру в центрі Сонця.
Плазма здійснила 300 трильйонів термоядерних реакцій за секунду, і міцність центральна магнітного поля досягла 5.7 тесла. Це викликало утворення 1,4 млн ампер електричного струму та їхнє нагрівання більш як 4 мільйонами ватів. Реакція відбулася в об’ємі приблизно 1 кубічного метра (трохи більше за гардеробну), і плазма тривала протягом двох повних секунд.
Інші експерименти з термоядерним синтезом, проведені в реакторах, подібних Alcator, досягли цих температур, але за тисків ближчих до 1 атмосфери; результати МІТ перевищили показники найвищого тиску, досягнутого в non-Alcator-пристроях приблизно на 70 відсотків.
Поки внесок Alcator C-Mod у сприяння розвитку термоядерної енергії був значним – він залишався науково-дослідним об’єктом. 2012 року Міністерство енергетики вирішило припинити фінансування Alcator через тиск з боку бюджету на будівництво ITER. Після цього рішення Конгрес США відновив фінансування Alcator C-Mod на трирічний період, що завершився 30 вересня.
“Це чудове досягнення, яке підкреслює вельми успішну програму Alcator C-Mod у Массачусетському технологічному інституті”, – говорить Дейл Мід, колишній заступник директора Лабораторії фізики плазми Прінстонського університету, який не був безпосередньо залучений до експериментів. “Рекордний тиск плазми підтверджує, що підхід високого магнітного поля – привабливий шлях до практичної енергії термоядерного синтезу”.
“Цей результат підтверджує, що високий тиск, необхідний для горіння плазми, може бути якнайкраще досягнуто за допомогою таких високомагнітних тотамаків, як Alcator C-Mod”, – говорить Ріккардо Бетті, Роберт Л. Маккрорі, професор інженерної механіки, фізики та астрономії в Університеті Рочестер.
Alcator C- Mod – єдиний у світі компактний термоядерний реактор високого магнітного поля з поліпшеною формою в конструкції під назвою токамак (транслітерація російського слова «тороїдальна камера»), який обмежує супергарячу плазму в камері тороїдальної форми. Високоінтенсивне магнітне поле C-Mod (до 8 тесл, або 160 000 магнітних полів Землі) дає змогу пристрою створювати щільні, гарячі плазми та підтримувати їхню стабільність за понад 80 мільйонів градусів. Його магнітне поле є більш ніж удвічі більшим, ніж зазвичай використовується в інших конструкціях, що підвищує його здатність стримувати плазменний тиск у 4 рази.
C-Mod посідає третє місце серед токамаків сильного магнітного поля, за його будівництво та експлуатацію в МІТ уперше виступив професор фізики Массачусетського технологічного інституту Бруно Коппі. Професор електротехніки та інформатики Рон Паркер очолював етап проектування. Професор Ян Хатчинсон з Департаменту ядерної науки та техніки очолив його будівництво і перші 10 років експлуатації до 2003 р.
Хоча новий пристрій оголошено та побудовано, нещодавно встановлений рекорд тиску в C-Mod, імовірніше, протримається наступні 15 років. Токамак ITER зараз перебуває на стадії будівництва у Франції, буде приблизно у 800 разів більший за обсягом, ніж Alcator C-Mod, але він функціонуватиме на більш низькому магнітному полі. Згідно з нещодавньою доповіддю Міністерства енергетики, очікується, що, працюючи на повній потужності, ITER досягне 2.6 атмосфер до 2032 р.
Alcator C-Mod також є аналогічним за розміром і вартістю нонтотамаку термоядерного синтезу з магнітним утриманням плазми, розроблення якого здійснювали приватні компанії ядерного синтезу, хоча ця установка може досягти в 50 разів більше тиску.
“Компактні токамаки із сильним полем надають ще одну захоплюючу можливість для прискорення розвитку термоядерної енергії, тож незабаром позитивні зрушення в проблемі зміни клімату та в питанні майбутнього чистої енергії стануть можливими – я вважаю, що всі ми поділяємо ці цілі”, – говорить Денніс Вайт, професор інженерних наук Hitachi America, директор Центру вивчення плазми та термоядерного синтезу і голова Департаменту ядерної науки та техніки Массачусетського технологічного інституту.
Ці експерименти заплановано та проведено в останній день роботи Alcator C-Mod командою МІТ і співробітниками з інших лабораторій в США, зокрема Лабораторією фізики плазми Прінстонського університету, Оук-Ріджською національною лабораторією та компанією General Atomics. Об’єкт Alcator C-Mod, що 30 вересня був офіційно закритий після 23 років роботи, залишає величезну спадщину співпраці. Alcator C-Mod сприяв написанню понад 150 кандидатських дисертацій та проведенню десятків Міжорганізаційних дослідних проектів.
Для того щоб зрозуміти, як принципи проектування Alcator C-Mod можуть бути застосовані до вироблення електроенергії, команда МІТ з питань синтезу працює над адаптацією нових доступних високотемпературних надпровідників високого поля, що будуть здатні виробляти магнітні поля ще більшої міцності без споживання електроенергії або виділення тепла. Ці надпровідники є центральним компонентом концептуальної пілотної установки під назвою Affordable Robust Compact (ARC) реактор, яка зможе виробляти до 250 мільйонів ватів електроенергії.
