Последните доклади от учени, изучаващи нов вид технология за синтез, са обнадеждаващи, но все още сме на известно разстояние от „свещения граал с чиста енергия“.
Технологията, разработена от Хайнрих Хора и неговите колеги от Университета на Нов Южен Уелс, използва мощни лазери за сливане на водородни и борни атоми, освобождавайки високоенергийни частици, които могат да се използват за генериране на електричество.
Както и при другите видове технология на синтез, предизвикателството се крие в създаването на машина, която може надеждно да инициира реакция и да използва произвежданата от нея енергия.
Какво е термоядрена енергия?
Сливането е процесът, който захранва слънцето и звездите. Това се случва, когато ядрата на два атома са толкова близо едно до друго, че се комбинират в едно, освобождавайки енергия в процеса.
Ако реакцията може да бъде възпроизведена в лабораторията, тя може да осигури практически неограничена мощност на базовото натоварване с практически нулев въглероден отпечатък.
Най-простата реакция, която може да бъде инициирана в лаборатория, е сливането на два различни изотопа на водорода: деутерий и тритий. Продуктът на реакцията е хелиев йон и бързо движещ се неутрон. Повечето изследвания на синтеза до момента са преследвали тази реакция.
Деутериево-тритиевият синтез работи най-добре при около 100 000 000 ℃. Задържането на плазмата е името, дадено на пламъкоподобното материално състояние при тези температури.
Водещият подход за използване на сили на синтез се нарича тороидално магнитно задържане. Свръхпроводящите намотки се използват за създаване на поле около милион пъти по-силно от магнитното поле на Земята, за да съдържа плазмата.
Учените вече са постигнали сливане на деутерий-тритий в експерименти в САЩ (тестов реактор за синтез в Токамак) и Великобритания (Обединен европейски торус). Всъщност тази година британски експеримент ще проведе кампания за сливане на деутерий-тритий.
Тези експерименти инициират реакция на синтез, като се използва масивно външно нагряване и е необходима повече енергия за поддържане на реакцията, отколкото самата реакция произвежда.
Следващата фаза на основното изследване на сливанията ще включва експеримент, наречен ITER (на латински „път“), който ще бъде изграден в южната част на Франция. В ITER, ограничените хелиеви йони, произведени от реакцията, ще произвеждат толкова енергия, колкото външните източници. Тъй като бързият неутрон носи четири пъти повече енергия от хелиевия йон, мощността ще се увеличи пет пъти.
Каква е разликата между използването на водород и бор?
Технологията, докладвана от Хора и неговите колеги, включва използването на лазер за създаване на много силно ограничаващо магнитно поле и втори лазер за нагряване на водородните горивни пелети, за да достигне точката на възпламеняване.
Когато водородно ядро (един протон) се слее с ядро бор-11, се образуват три енергийни хелиеви ядра. В сравнение с реакцията деутерий-тритий, предимството е, че няма неутрони, които да се задържат трудно.
Решението на Hora е да се използва лазер за нагряване на малка горивна пелета до температурата на запалване и друг лазер за нагряване на металните намотки, за да се създаде магнитно поле, което ще съдържа плазмата.
Технологията използва много кратки лазерни импулси, с продължителност само наносекунди. Необходимото магнитно поле би било изключително силно, около 1000 пъти по-силно от полето, използвано при експерименти с деутерий и тритий.
Хора и колеги твърдят, че техният процес ще създаде „лавинен ефект“ в горивната пелета, което означава, че ще се извърши много повече синтез, отколкото би се очаквало.
Въпреки че има експериментални доказателства в подкрепа на леко увеличение на скоростта на термоядрен синтез чрез адаптиране на лазерния лъч и целта, за сравнение с реакциите на деутерий-тритий, лавинният ефект ще трябва да увеличи скоростта на реакцията на синтез с повече от 100 000 пъти при 100 000 000 ℃.
Експериментите с водород и бор със сигурност са дали вълнуващи физически резултати, но прогнозите на Хора и колегите му за петгодишен път към реализиране на термоядрената енергия изглеждат преждевременни. Други учени вече са се опитали да стартират лазерен синтез. Например, те се опитаха да постигнат запалване от синтез водород-дейтерий, използвайки 192 лазерни лъча, фокусирани върху малка цел.
Тези експерименти достигнаха една трета от условията, необходими за един експеримент. Проблемите включват точно позициониране на целта, нередности на лазерния лъч и нестабилност, причинени от експлозии.
Развитието на термоядрена енергия най-вероятно ще бъде осъществено от основната международна програма, която се основава на експеримента ITER. Австралия има международно сътрудничество с проекта ITER в областта на теорията и моделирането, материалознанието и технологиите.
Матю Хоул, старши научен сътрудник, Институт по математически науки, Австралийски национален университет.
Тази статия е публикувана от The Conversation.
Източници: Снимка: CCFE / JET
