Учени потвърдиха ефикасността на реакторите Токамак

Учени от Американската национална лаборатория по ядрен синтез, потвърдиха експериментално предвижданията за ефективност на реакторите за ядрен синтез – Токамак.
Напълно се потвърди и предвиждането, че те могат да бъдат ефективни икономически и производствено и тяхното индустриално приложение е напълно реалистично.
Трудът на учените е представен на 51-вата годишна среща на Американското физично общество.

Благодарение на ядрения синтез, нашето слънце гори вече милиарди години. Ядрения синтез се случва, когато ядрата на два прости атома се доближат достатъчно близо, за да се слеят и образуват атом с по-сложно ядро. В процеса се отделя огромно количество енергия, благодарение на което слънцето свети и излъчва топлина и радиация.

Когато синтеза се създава в лабораторни условия, производството на енергия зависи от температурата и плътността на получената плазма. Плазмата е съставена от силно нагрят йонизиран газ, в който атомите са изключително възбудени и се движат хаотично. Тя е толкова гореща че са нужни мощни магнитни полета за да се поддържа плазмата в сърцевината на реактора и далеч от стените му.
Тестват се различни методи за задържането на плазма, но най-успешен се оказва конструкцията „Токамак”, изобретена от руските учеин Игор Там и Андрей Сакаров през 1950.

Това е причината Токамак реакторите да изглеждат като поничка. Така се постига най-голяма ефективност от магнитните полета, а плазмата е насочвана по дължината на поничката, без да засяга стените.

През последните десет години учените успяха най-после да увеличат плътността на плазмата и успяха да поддържат ядрения синтез за по-продължителни периоди – ключов елемент за ефективното производство на енергия. Това се случи благодарение на важни открития в областта на поведението на плазмата в магнитно поле.

В началото, учените трудно контролират магнитните полета, при което стените на камерата се износват бързо и трябва да бъдат подменяни често. Реакторите произвеждаха енергия едва няколко секунди и като цяло разхода на енергия за поддържането на плазмата е по-голям от произведената енергия.
През 1968 обаче бе постигнат пробив. Тогава първата руска версия Т3 а по-късно и Т4 постигнаха за пръв път положителен енергиен коефициент – повече произведена енергия от колкото използвана за поддръжка. Оказа се че подхода Токамак е с драстично по-добри показатели, от колкото алтернативните методи.

Според доста модели, загубата на горещина в Токамак реакторите е доста голям, поради реактивността на турболенцията на плазмата към флуктуациите на магнитното поле. Последните изследвания показаха че това не е така. Не само че турболенцията се минимизира от високото налягане и определената форма на Токамак, но и новообразуваните хелиеви атоми, подпомагат поддържането и плътността на плазмата.

За да са надеждни и производителни Токамаците, те трябва да поддържат високо налягане и температура, колкото се може по дълго. Работата на учените показа че плазмата може да бъде принудена да се държи по следния начин: високото налягане води до самогенерирана електрическа енергия, която помага да се контролира плазмата, което води до по малка нужда от външен контрол, което води до дълги пулсове производство на енергия, което води до висока надеждност.

След десетилетия усилия за подобряване на поведението на плазмата, учените откриха че природата всъщност може да бъде много щедра, като позволява едновременно висока производителност (много електричество), оптимална ефективност (евтино електричество) и висока надеждност (производствения процес е стабилен и постоянен). Това премахва и последните теоретични пречки пред реализирането на реакторите с ядрен синтез от типа Токамак, като потвърждава тяхната практична и икономична надеждност.

Работата на учените и извършването на експериментите са част от програмата Министерството на Енергията на САЩ за изследване на ядрения синтез, по договор DE-FC02-04ER54698.

Така се стигна до проекта ITER. Учените очакват коефициента му да бъде 10, тоест 500 мегавата произведени при 50 мегавата разход за поддръжка на магнитното поле и плазмата. От ITER се очаква и продължителни периоди на производство на енергия. За сравнение, предишните експерименти поддържаха едва няколко секунди производство.

Ако този тестов реактор се окаже успешен, ядрения синтез ще се превърне в основен енергиен източник за човечеството.

Друг голям плюс на токамак реакторите е безопасността. При горенето на тритий и деуретий се отделя толкова малко радиация, че можете да се защитите от нея с лист хартия. Реално такъв реактор може да се построи в центъра на град. В случай на авария, единственото което ще се случи е силен топлообмен между плазмата и корпуса на контейнера, твърдят защитниците на проекта. За контраст, атомните централи имат големи проблеми с ядрените отпадъци и сигурността при контрола на ядрената реакция.