Nauji fizikos tyrimai atskleidžia sintezės energiją


//php echo do_shortcode(‘[responsivevoice_button voice=”US English Male” buttontext=”Listen to Post”]’) ?>

EPFL (Šveicarijos plazmos centro) mokslininkai neseniai perrašė pagrindinį plazmos sintezės įstatymą ir atskleidė, kad sintezės reaktoriuose gali būti saugiai panaudota daugiau vandenilio, o tai gali padidinti energijos gamybą.

Sintezės fizika kupina puikių galimybių. Bendradarbiaudami Europoje, EPFL fizikai peržiūrėjo vieną iš pagrindinių dėsnių, kuriais buvo paremti plazmos ir sintezės tyrimai daugiau nei tris dešimtmečius, net reglamentuojantį megaprojektų, tokių kaip ITER. Naujasis fizikos-matematinis (empirinis) atradimas parodo, kaip galima saugiai naudoti papildomą vandenilį branduolių sintezės reaktoriuose, siekiant padidinti energijos išeigą.

Atsižvelgiant į ambicingus klimato kaitos tikslus, siekiant ekologiško perėjimo, dėmesys nukreipiamas į švaresnius energijos šaltinius. Kita vertus, norint užtikrinti ekonomiškai patikimą ir saugų energijos tiekimą, investuoti tik į atsinaujinančius energijos šaltinius gali nepakakti. Nėra jokių abejonių, kad sintezė yra šventasis energijos gralis. Prireiks daug metų, kol saulės energija ir energijos kaupimas paskatins energijos revoliuciją, kurią netrukus patirsime.

Sintezija apima dviejų atomų branduolių sujungimą į vieną, taip išskiriant milžiniškus energijos kiekius. Kasdien tai patiriame per saulės kaitrą. Šiuo metu yra keli projektai ir mes kalbėjomės apie juos šiame tinklaraštyje. Vienas iš jų yra ITER: jo tikslas – sukurti aukštos temperatūros plazmą, kad būtų sudaryta tinkama aplinka sintezei ir taip būtų gaminama energija.

Plazmos, kurios primena dujas, nes yra sudarytos iš teigiamai įkrautų branduolių ir neigiamo krūvio elektronų, yra maždaug milijoną kartų mažesnio tankio nei oras, kuriuo kvėpuojame. Plazmos susidaro veikiant „sintezės kurui“ – vandenilio atomams – itin aukštai temperatūrai (10 kartų aukštesnei už Saulės šerdies temperatūrą), verčiant elektronus atsiskirti nuo atominių branduolių. Procesas vyksta spurgos formos („toroidinėje“) struktūroje, vadinamoje „tokamaku“.

ITER projektas

Spurgos formos tokamako vakuuminė kamera yra plakanti širdis. Kai dujinis vandenilio kuras yra veikiamas aukštoje temperatūroje, jis virsta plazma. Plazmos sudaro sąlygas lengviems komponentams maišytis ir generuoti energiją. Įkrautos plazmos dalelės yra suformuotos stipriomis magnetinėmis ritėmis, kurios išlaiko įkaitusią plazmą nuo konstrukcijos sienelių ir išlaiko pakankamai storą, kad dalelės galėtų susilieti. Kai plazmos dalelės įsikrauna ir susiduria, jos pradeda kaisti.

Dabartinėmis technologijomis dabar galima pasiekti sintezės temperatūrą (150–300 mln. °C). Siekiant išlaikyti plazmą (toroidinio lauko ritinius) ir išlaikyti jos formą bei stabilumą, ITER naudoja superlaidžius magnetus (poloidinio lauko ritinius).

susiliejimas
ITER projektas (Šaltinis: ITER)

Nauja teorija

EPFL ekspertų teigimu, gaminant sintezei skirtą plazmą reikia atsižvelgti į tris esminius aspektus: aukštą temperatūrą, didelį vandenilio tankį ir efektyvų uždarymą. Paolo Ricci iš Šveicarijos plazmos centro išsiaiškino, kad planuojamas ITER tokamakas gali veikti naudojant dvigubai didesnį vandenilio kiekį ir taip pagaminti daugiau sintezės energijos, nei manyta anksčiau. Vienas iš plazmos kūrimo tokamake apribojimų yra turimo vandenilio kiekis. Pasak ekspertų, įpylus daugiau degalų, įvyks vadinamasis „perturbacija“ arba plazmos uždarymo praradimas.

Laikui bėgant buvo atlikti tyrimai, siekiant numatyti didžiausią vandenilio tankį, kurį galima panaudoti. Martinas Greenwaldas pateikė lygtį, susiejančią kuro tankį su mažiausiu tokamako spinduliu (spurgos vidinio apskritimo spinduliu) ir srove, tekančia tokamako viduje esančioje plazmoje. Empiriškai nustatyta „Grinvaldo riba“, ant kurios pastatytas ITER, nuo tada buvo pagrindinis branduolių sintezės tyrimų principas.

Šveicarijos plazmos centras, bendradarbiaudamas su kitomis tokamako komandomis, suplanavo eksperimentą, skirtą tiksliai valdyti į tokamaką pumpuojamo kuro kiekį. Įvyko kelios svarbios partnerystės, įskaitant Jungtinį Europos Torus Jungtinėje Karalystėje ir ASDEX atnaujinimą Vokietijoje (Max Plank institutas).

Taisyklė, galinti susieti kuro tankį su tokamako dydžiu, buvo sukurta analizuojant duomenis ir susijusius procesus, taip pat kompiuterinį modeliavimą naudojant matematinį modelį. Pasak mokslininkų, modeliavimai paaiškina, kad kai į plazmą įpilama daugiau degalų, jo dalys iš šalto išorinio tokamako sluoksnio (ribos) juda į jo šerdį, nes plazma tampa audringesnė.

Taigi, skirtingai nei elektrinis varinis laidas, kuris stiprėja kaitinant, plazmos stiprėja vėsdamos. Todėl kuo daugiau degalų įdedama esant tokiai pačiai temperatūrai, tuo daugiau plazmos dalių atvėsta ir tuo sunkiau srovei tekėti per plazmą, o tai gali sukelti pertrūkį.

Rezultatai pradėjo naują tokamako degalų kiekio ribos lygtį, kuri labai gerai atitinka eksperimentus. Tyrimas buvo paskelbtas Physical Review Letters. Lygtis rodo, kad Grinvaldo ribą galima padidinti. Tai reiškia, kad ITER gali sunaudoti beveik dvigubai didesnį kuro kiekį plazmai gaminti, nesijaudindamas dėl gedimų.