Ученые и инженеры Центра изучения плазмы и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института сделали шаг вперед в погоне за чистой энергией. Команда установила новый мировой рекорд по давлению плазмы в термоядерном реакторе токамак Alcator C-Mod.
Давление плазмы является ключевым элементом для производства энергии в процессе термоядерного синтеза и впервые новый результат МИТ достиг более 2 атмосфер. Лидер и старший научный сотрудник Alcator Эрл Мармар представит отчет Международному агентству по атомной и термоядерной энергии на конференции 17 октября в Киото, Япония.
Термоядерный синтез обладает потенциалом для производства практически неограниченных запасов чистой, безопасной, обезуглероженной энергии. Синтез это тот же процесс, который питает солнце, он может быть реализован в реакторах, имитирующих условия сверхгорячих миниатюрных “звезд” плазмы, (разогретого газа) которые содержатся в магнитном поле. На протяжении более 50 лет было известно, что для обеспечения жизнеспособности синтеза на поверхности Земли, плазма должна быть очень горячей (более чем 50 миллионов градусов), она должна быть стабильной под сильным давлением и содержаться в фиксированном объеме.
Успешный синтез также требует, чтобы продукт как произведение трех факторов (плотности частиц плазмы, времени удержания и температуры) достиг определенного значения. Выше этого значения (так называемый “тройной продукт”), энергия, выделяемая в реакторе превышает энергию, необходимую для продолжения реакции.
Давление, которое является продуктом плотности и температуры, составляет около двух третей от этой проблемы. Количество произведенной энергии увеличивается с площадью давления, так удвоение давления приводит к четырехкратному увеличению производства энергии.
В течении 23 лет Alcator C-Mod находится в эксплуатации Массачусетского технологического института, рекорд давления плазмы в устройстве магнитного удержания неоднократно достигался. Предыдущий рекорд 1,77 атмосфер был установлен в 2005 году (также в Alcator C-Mod). Устанавливая новый рекорд в 2,05 атмосфер, результат был улучшен на 15 процентов, температура внутри Alcator C-Mod достигла более 35 миллионов градусов по Цельсию, в два раза превысив температуру в центре Солнца.
Плазма произвела 300 триллионов термоядерных реакций в секунду и прочность центральная магнитного поля достигла 5.7 тесла. Это повлекло за собой образование 1,4 миллиона ампер электрического тока и их нагревание более чем 4 миллионами ватт. Реакция произошла в объеме примерно 1 кубического метра (не многим больше гардеробной) и плазма продолжилась в течение двух полных секунд.
Другие эксперименты с термоядерным синтезом, проведенные в реакторах, подобных Alcator достигли этих температур, но при давлениях ближе к 1 атмосфере; результаты МИТ превысили показатели наивысшего давления достигнутого в non-Alcator устройствах примерно на 70 процентов.
Пока вклад Alcator C-Mod в содействие развитию термоядерной энергии был значительным – он оставался научно-исследовательским объектом. В 2012 году Министерство энергетики решило прекратить финансирование Alcator из-за давления со стороны бюджета на строительство ITER. После этого решения, Конгресс США восстановил финансирование Alcator C-Mod на трехлетний период, который завершился 30 сентября.
“Это замечательное достижение, которое подчеркивает весьма успешную программу Alcator C-Mod в Массачусетском технологическом Институте”, – говорит Дейл Мид, бывший заместитель директора Лаборатории физики плазмы Принстонского университета, который не был непосредственно вовлечен в эксперименты. “Рекордное давление плазмы подтверждает, что подход высокого магнитного поля – привлекательный путь к практической энергии термоядерного синтеза”.
“Этот результат подтверждает, что высокое давление, необходимое для горения плазмы, может быть наилучшим образом достигнуто с помощью таких высокомагнитных тотамаков как Alcator C-Mod”, – говорит Риккардо Бетти, Роберт Л. Маккрори, профессор инженерной механики, физики и астрономии в Университете Рочестер.
Alcator C- Mod является единственным в мире компактным, термоядерным реактором высокого магнитного поля с улучшенной формой в конструкции под названием токамак (транслитерация русского слова «тороидальная камера»), который ограничивает супер-горячую плазму в камере тороидальной формы. Высокоинтенсивное магнитное поле C-Mod (до 8 тесла, или 160 000 магнитных полей Земли) позволяет устройству создавать плотные, горячие плазмы и поддерживать их стабильность при более чем 80 миллионах градусах. Его магнитное поле более чем вдвое больше, чем обычно используемое в других конструкциях, что повышает его способность сдерживать плазменное давление в 4 раза.
C-Mod занимает третье место среди токамаков сильного магнитного поля, за его построение и эксплуатацию в МИТ впервые выступил профессор физики Массачусетского технологического института Бруно Коппи. Профессор электротехники и информатики Рон Паркер возглавлял этап проектирования. Профессор Ян Хатчинсон из Департамента ядерной науки и техники возглавил его постройку и первые 10 лет эксплуатации до 2003 года.
Хотя новое устройство объявлено и построено, недавно установленный рекорд давления в C-Mod, скорее всего, продержится следующие 15 лет. Токамак ITER в настоящее время находящийся на стадии строительства во Франции, будет примерно в 800 раз больше по объему, чем Alcator C-Mod, но он будет функционировать на более низком магнитном поле. Согласно недавнему докладу Министерства энергетики, ожидается, что работая на полной мощности ITER , достигнет 2.6 атмосфер к 2032 году.
Alcator C-Mod также аналогичен по размеру и стоимости нонтотамаку термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, разработкой которого занимались частные компании ядерного синтеза, хотя эта установка может достичь в 50 раз больше давления.
“Компактные токамаки с сильным полем предоставляют еще одну захватывающую возможность для ускорения развития термоядерной энергии, так что в скором времени положительные сдвиги в проблеме изменения климата и в вопросе будущего чистой энергии станут возможными — я полагаю, что все мы разделяем эти цели”, – говорит Деннис Вайт , профессор инженерных наук Hitachi America, директор Центра изучения плазмы и термоядерного синтеза и глава Департамента ядерной науки и техники Массачусетского технологического института.
Эти эксперименты были запланированы и проведены в последний день работы Alcator C-Mod командой МИТ и сотрудниками из других лабораторий в США, в том числе Лабораторией физики плазмы Принстонского университета, Оук-Риджской национальной лабораторией и компанией General Atomics. Объект Alcator C-Mod, который 30 сентября был официально закрыт после 23 лет работы, оставляет огромное наследие сотрудничества. Alcator C-Mod способствовал написанию более 150 кандидатских диссертаций и проведению десятков Межорганизационных исследовательских проектов.
Для того чтобы понять, каким образом принципы проектирования Alcator C-Mod могут быть применены к выработке электроэнергии, команда МИТ по вопросам синтеза работает над адаптацией новых доступных высокотемпературных сверхпроводников высокого поля, которые будут способны производить магнитные поля еще большей прочности без потребления электроэнергии или выделения тепла.Эти сверхпроводники являются центральным компонентом концептуальной пилотной установки под названием Affordable Robust Compact (ARC) реактор, которая сможет производить до 250 миллионов ватт электроэнергии.