Дослідники Прінстонської лабораторії фізики плазми досліджують, як дейтерій, потенційне паливо для термоядерного синтезу, взаємодіє зі стінками, покритими бором, у термоядерних реакторах. Їхні відкриття щодо утримування палива та проблематичної ролі вуглецю в уловлюванні палива прокладають шлях до більш ефективних термоядерних систем, таких як ITER у Франції.
Потужність термоядерного синтезу та взаємодія плазми
Щоб створити практичну систему термоядерної енергії, вчені повинні зрозуміти, як плазмове паливо взаємодіє з навколишнім середовищем. У термоядерному реакторі плазма перегрівається, в результаті чого деякі атоми стикаються зі стінками реактора та заглиблюються. Вимірювання того, скільки палива потрапляє в пастку, має важливе значення для підтримки ефективності та мінімізації накопичення радіоактивних речовин.
«Чим менше палива потрапляє в стіну, тим менше накопичується радіоактивного матеріалу», — сказав Шота Абе, штатний фізик-дослідник Прінстонської лабораторії фізики плазми (PPPL) Міністерства енергетики США.
Роль бору в термоядерних системах
Абе очолює нове дослідження, опубліковане в Nuclear Materials and Energy , у якому досліджується, скільки дейтерію — одного з найперспективніших видів термоядерного палива — поглинається в покритих бором графітових стінках токамака , термоядерної ємності у формі пончика. Бор зазвичай використовується в експериментальних термоядерних системах для зменшення домішок плазми, але його вплив на збереження палива залишається незрозумілим. Дослідники працюють над тим, щоб визначити, скільки дейтерію залишає плазму та проникає в стінки реактора, що може мати значні наслідки для майбутніх термоядерних реакторів.
«Розуміння того, як борні покриття можуть взаємодіяти з дейтерієм, може допомогти нам покращити матеріали для майбутніх термоядерних електростанцій, таких як ITER», — сказав Абе. ITER — це багатонаціональна установка, що збирається у Франції, і яка вивчатиме плазму, здатну нагріватися та підтримувати власні реакції термоядерного синтезу.
На додаток до дослідників з PPPL, значна група експертів з установ по всій країні внесла свій внесок у нове дослідження утримування палива, включаючи дослідників з Прінстонського університету, Університету Каліфорнії в Сан-Дієго, General Atomics, Університету Теннессі-Ноксвілл і Національних лабораторій Сандіа. Їхня провідна світова робота надзвичайно важлива для того, щоб термоядерний синтез став життєздатним джерелом електроенергії в комерційних масштабах.
Експерименти з дейтерієм як замінником тритію
У комерційній термоядерній системі паливо, ймовірно, складатиметься з дейтерію та тритію, які є формами водню. Тритій радіоактивний, а дейтерій – ні. Отже, в експериментах замість тритію використовувався дейтерій, оскільки вони багато в чому схожі. Але тритій — це елемент, яким необхідно ретельно керувати в системах термоядерного синтезу комерційного масштабу.
«Існують дуже суворі обмеження щодо того, скільки тритію може бути в пристрої в будь-який момент часу. Якщо ви перевищите це, тоді все зупиниться, і ліцензія буде видалена», – сказав Алессандро Бортолон, керуючий головний фізик-дослідник PPPL, який також брав участь у роботі. «Отже, якщо ви хочете мати функціонуючий реактор, вам потрібно переконатися, що ваш облік тритію точний. Якщо ви перевищите ліміт, це неприємно».
Вирішення проблем із використанням вуглецю в термоядерних системах
Цікаво, що дослідники кажуть, що основною причиною захопленого палива є не борне покриття. Це вуглець. Навіть невелика кількість вуглецю збільшила кількість дейтерієвого палива, захопленого зразками під час експерименту. Ці зразки борної плівки були створені за допомогою плазми, виготовленої з газу, що містить бор і дейтерій (а також з деякими домішками) у DIII-D, токамаку General Atomics. Вуглець і бор разом можуть настільки міцно зв’язуватися з дейтерієм, що для розриву зв’язку знадобиться температура близько 1000 градусів за Фаренгейтом , що робить дуже складним видалення палива без пошкодження термоядерної системи.
«Вуглець справді порушує проблеми», — сказав фізик-дослідник PPPL Флоріан Еффенберг, який також є співавтором статті. «Вуглець має бути зведений до мінімуму. Хоча ми не можемо звести його до нуля, ми використовуємо всі засоби, щоб зменшити кількість вуглецю якомога більше».
Насправді вплив плазми з невеликою кількістю вуглецевого забруднення значно збільшив кількість дейтерію. Дослідники виявили, що на кожні п’ять одиниць бору, захоплених у зразку, було захоплено дві одиниці дейтерію.
Майбутні наслідки для термоядерної енергії
В експериментах використовувалася термоядерна система DIII-D, і наразі її стінки зроблені з графіту, різновиду вуглецю. «Ми хочемо позбутися всього вуглецю та мати чисті вольфрамові стіни», — сказав Еффенберг, щоб переконатися, що розрахунки ще ближчі до тих, що будуть випробувані в ITER.
Однією з сильних сторін дослідження є те, що деякі зразки піддавалися впливу плазми в термоядерній посудині DIII-D. Машина є одним із кількох експериментальних токамаків, які працюють за допомогою магнітних полів для утримання плазми у формі бублика. З огляду на те, що дослідження показують, що навіть сліди вуглецю можуть різко збільшити кількість тритію, що застряг у стінках токамака, результати можуть мати важливі наслідки для дотримання нормативних обмежень у майбутніх термоядерних електростанціях.