Управление ядерным синтезом с Z-пинч подходом

В эпоху энергетического кризиса, усугубляемого пандемией covid-19 большинство внимания, уделяется ВИЭ. Отчасти это правильно, если считать приоритетом экологию. Но как утверждают специалисты максимум, что может достигнуть возобновляемая энергетика к 2050 г, это 30%-35% в общем энергетическом балансе. И все же, основную массу генерации, как и в настоящее время будет представлять атомная энергетика с максимальной безопасностью для человека и окружающей среды.

Именно в этом направлении идут постоянные исследования ученых всего мира на возможность получения энергии при помощи ядерных и термоядерных реакций по аналогии, которые происходят на Солнце.

Ядерный синтез имеет огромный потенциал как источник энергии, но те реакции, с ядрами в атомах, происходящие внутри Солнца, и генерирование неисчерпаемого количества чистой энергии, для ученых являются загадкой и стимулируют к поиску открытий. Экспериментальные термоядерные реакторы (токамаки) и искусственное солнце — это пара экспериментальных устройств, используемых для достижения этих высоких целей, но ученые из Вашингтонского университета (UW) пошли не проторенным путем, а избрали известный Z-пинч (Z-пинч является одним из видов плазменной системы локализации , которая использует электрический ток в плазме, чтобы генерировать магнитное поле , которое сжимает его, авт.), как более дешевый и эффективный путь движения в этом направлении.


Команда, стоящая за открытием ядерного синтеза в Университете Вашингтона, слева направо, Антон Степанов, Элли Форбс, Эллиот Клава, Юэ Чжан Тебе Вебер, Брайан Нельсон и Ури Шумлак

Для того, чтобы имитировать условия, которые происходят внутри Солнца, когда атомы водорода сталкиваясь друг с другом, образуют в результате реакции атомы гелия и освобождают гигантское количества энергии без вредных побочных продуктов, нам нужно огромное количество тепла и сверхвысокое давление.

Формировать поток плазмы и удерживать его на месте достаточно долго, чтобы эти ядерные реакции происходили, или в закрученном цикле, или в форме бублика, — это методы, которые используются такими устройствами, как немецкий термоядерный реактор Wendelstein 7-X и экспериментальный Токамак (искусственное солнце) Китая. Но этот подход имеет свои недостатки, связанные с магнитными катушками, необходимыми для приостановления кольца плазмы, как объясняет автор исследования Ури Шумлак в интервью для New Atlas.

«Катушки магнитного поля приводят такие устройства к большему размеру и большим затратам», — говорит он. «Катушки также особенно чувствительны к повреждению нейтронов, требует большего экранирование, что приводит их дальнейшему увеличению размеров и дополнительным расходам».

Более эффективным способом достижения этих плазменных потоков может быть то, что известно, как система Z-пинч. Вместо использования дорогих магнитных катушек, эти системы удерживают плазму в электромагнитном поле, генерируемого внутри самой плазмы. Системы Z-пинч называют темной лошадкой в исследовании ядерного синтеза. Минус, однако, заключается в том, что данная систем нестабильна, вызывает искажения в плазме, что приводит к бомбардированию стенок контейнера и могут его разрушить.

«Сжатие и ограничения плазмы магнитными полями в конфигурации Z-пинч склонны к нестабильности, поскольку плазма может выходить между параллельными линиями магнитного поля», — говорит нам Шумлак. «Магнитное поле образует вокруг плазменной колонки круговые петли, которые радиально ограничивают плазму, но плазма может образовывать выпуклости, которые локально ослабляют магнитное поле».

Эти проблемы препятствовали переходу на Z-пинч с его основания в 1950-х годах и фактически способствовали развитию токамаков и созданию искусственных звезд, но исследователи UW утверждают, что с него можно еще что-то выжать.

Команда, стоящая за открытием ядерного синтеза в Университете Вашингтона, убеждена, что они придумали способ устранить искажения, возникающие в плазме и приводящие к ее разрушению. Благодаря незначительной коррекции динамики плазмы, индуцируя то, что известно в динамике жидкости как срезанный осевой поток, исследователи смогли пробить новую нишу в плазменной колонне Z-пинч длиной 50 см (20 дюймов).

«Основной инновацией является использование срезанных плазменных осевых потоков», — говорит Шумлак. «Срезанный поток стабилизирует плазму, постоянно разглаживая поверхность плазмы и предотвращая развитие выпуклостей и пузырьков».

Несмотря на то, что потенциал срезанного осевого потока в плазменных потоках Z-пинч исследуется годами, команда ученых считает, что это первый раз, когда они создали "доказательства генерации нейтронного синтеза в стабилизированном Z-пинч потоке". Более конкретно, их стабилизированная плазма держалась на месте в 5000 раз дольше, чем статическая плазма, и они смогли наблюдать энергетические нейтроны, которые являются показательными признаками ядерного синтеза.

Водушевленные успехом, и учитывая тот факт, что история содержания Z-пинч систем не стабильна при исследовании ядерного синтеза в целом, ученые делают оптимистические прогнозы.

«Как ученый я отмечаю, что мы не знаем наверняка, приведет наше открытие к созданию нового источника энергии», — говорит Шумлак. «Однако результаты являются обнадеживающими. Стабилизация срезанного потока Z-пинч была тщательно исследована, и результаты текущих показателей были продемонстрированы. Доказательства описаны в нашей статье "Физические обзорные письма". Понимание достигнутого нас вдохновляют, и мы должны иметь возможность достичь еще более высоких результатов».

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

По материалам источника:

Спасибо за ваше внимание.smiley Если вам понравилось, пожалуйста, поделитесь с друзьями и в комментариях черкните пару слов своего мнения.