Ученые обнаружили, что добавление определенного типа порошка в термоядерную плазму может помочь в использовании сверхгорячего газа в токамаке для производства тепла для выработки электричества без образования парниковых газов или долгосрочных радиоактивных отходов.
Основная проблема с работающими термоядерными установками в форме кольца, известными как токамаки, заключается в том, чтобы не допускать примесей в плазме, питающей термоядерные реакции, которые могут снизить эффективность реакций. Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США обнаружили, что добавление порошка в плазму может помочь в использовании сверхгорячего газа в токамаке для производства тепла для производства электричества без производящие парниковые газы или долгоживущие радиоактивные отходы.
Fusion, сила, которая движет солнцем и звездами, объединяет легкие элементы в форме плазмы - горячего заряженного состояния материи, состоящей из свободных электронов и атомных ядер - которая генерирует огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез на Земле, чтобы получить практически неиссякаемый источник энергии для выработки электроэнергии.
«Главной целью эксперимента было посмотреть, сможем ли мы нанести слой бора с помощью порошкового инжектора», - сказал физик PPPL Роберт Лансфорд, ведущий автор статьи, сообщающей о результатах в Nuclear Fusion. «Пока что эксперимент, кажется, был успешным».
¬Бор предотвращает выщелачивание элемента, известного как вольфрам, из стенок токамака в плазму, где он может охлаждать частицы плазмы и снижать эффективность термоядерных реакций. Слой бора наносится на обращенные к плазме поверхности в процессе, известном как «боронизация». Ученые хотят, чтобы плазма была как можно более горячей - по крайней мере, в десять раз горячее, чем поверхность Солнца, - чтобы максимизировать термоядерные реакции и, следовательно, тепло для производства электричества.
Использование порошка для борирования также намного безопаснее, чем использование газообразного бора под названием диборан, метод, используемый сегодня. «Газ диборан взрывоопасен, поэтому во время процесса все должны покинуть здание, в котором находится токамак», - сказал Лансфорд. «С другой стороны, если бы вы могли просто бросить немного порошка бора в плазму, с этим было бы намного проще справиться. В то время как газообразный диборан взрывоопасен и токсичен, порошок бора инертен», - добавил он. «Эта новая техника будет менее навязчивой и определенно менее опасной».
Еще одно преимущество заключается в том, что, хотя физики должны останавливать работу токамака во время процесса газообразного бора, порошок бора можно добавлять в плазму во время работы машины. Эта функция важна, потому что для обеспечения постоянного источника электроэнергии будущие термоядерные установки должны будут работать в течение длительных периодов времени без перерыва. «Это один из способов получить стационарную термоядерную машину», - сказал Лансфорд.«Вы можете добавить больше бора, не выключая машину полностью».
Есть и другие причины использовать порошковую пипетку для покрытия внутренних поверхностей токамака. Например, исследователи обнаружили, что впрыскивание порошка бора имеет те же преимущества, что и вдувание газообразного азота в плазму - оба метода увеличивают нагрев на краю плазмы, что увеличивает то, насколько хорошо плазма остается ограниченной магнитными полями.
Техника распыления порошка также дает ученым простой способ создания термоядерной плазмы низкой плотности, что важно, потому что низкая плотность позволяет подавлять нестабильность плазмы с помощью магнитных импульсов, что является относительно простым способом улучшения термоядерных реакций. Ученые могли использовать порошок для создания плазмы низкой плотности в любое время, не дожидаясь газообразного борирования. Возможность таким образом легко создавать широкий диапазон состояний плазмы позволила бы физикам более тщательно исследовать поведение плазмы.
В будущем Лансфорд и другие ученые в группе надеются провести эксперименты, чтобы определить, куда именно попадает материал после того, как он был введен в плазму. Физики в настоящее время предполагают, что порошок течет к верхней и нижней части камеры токамака так же, как течет плазма, «но было бы полезно подкрепить эту гипотезу моделированием, чтобы мы знали точные места внутри токамака, которые получают слои бора», - сказал Лансфорд.