В этом способе по-прежнему будут использоваться дейтерий и тритий — наиболее перспективные виды топлива для производства термоядерной энергии. Но свойства этого топлива немного изменят, чтобы оно работало эффективнее. Для этого используют процесс под названием «спиновая поляризация». Кроме того, количество дейтерия увеличат, чтобы получить больше энергии.

Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы в США создали модели, которые показали: можно более эффективно использовать тритий, не теряя при этом энергию синтеза. Это позволит уменьшить количество трития, необходимое для запуска и поддержания термоядерных реакций. В результате могут появиться более компактные и доступные термоядерные системы.

Термоядерный синтез — это очень сложно, — говорит Джейсон Паризи, физик-исследователь лаборатории и автор научной статьи.

Поэтому было удивительно, насколько значительным оказалось улучшение.

Этот метод позволяет использовать тритий в десять раз эффективнее.

Ученые из PPPL активно участвуют в разработке новых технологий для термоядерного синтеза. В одном из исследований, проведенных Паризи, газы нагревались до состояния плазмы, которая удерживалась с помощью магнитных полей в форме, напоминающей яблоко.

В Лаборатории есть специальное устройство — National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U). Оно похоже на то, что описывали исследователи.

Это первый случай, когда ученые исследуют, как спин-поляризованное топливо может помочь улучшить использование трития, — объясняет Джейкоб Шварц, один из авторов работы.

Минимизация потребностей в тритии за счет максимизации эффективности сжигания

Ахмед Диалло, главный физик-исследователь и соавтор статьи, сравнивает эффективность сгорания трития с работой газовой плиты. Он говорит, что в термоядерном устройстве тритий сгорает не полностью, как газ на плите, который не всегда удается сжечь до конца. Поэтому ученые хотели сделать так, чтобы тритий сгорал эффективнее.

Чтобы решить эту задачу, команда PPPL обсуждала проблему с другими учеными из области термоядерного синтеза и специалистами по спиновой поляризации. Паризи говорит, что термоядерный синтез — это сложная область науки и техники, которая требует прогресса во многих направлениях. Но иногда можно получить удивительные результаты, если объединить исследования из разных областей.

Другой вид спина

Квантовое вращение не похоже на обычное вращение бейсбольного мяча. У мяча может быть много видов вращения, а у квантового спина частицы — только несколько вариантов: например, вверх или вниз.

Если два атома топлива для термоядерного синтеза имеют одинаковый квантовый спин, они с большей вероятностью соединятся. Это значит, что можно получить больше энергии из того же количества топлива.

Существующие методы спиновой поляризации не могут выровнять спин каждого атома. Но в модели PPPL показано, что для улучшения эффективности сжигания трития и общей производительности достаточно даже небольшого выравнивания спинов атомов.

Повышение эффективности для снижения потребности в тритии

При меньшем количестве требуемого трития общий размер термоядерной электростанции может быть уменьшен, что упрощает лицензирование, размещение и строительство. В совокупности это должно снизить эксплуатационные расходы термоядерной системы.

Тритий также радиоактивен, и хотя это излучение относительно недолговечно по сравнению с отработанным топливом ядерных реакторов деления, уменьшение необходимого количества имеет преимущества с точки зрения безопасности, поскольку снижает риск утечки или загрязнения трития.

Чем меньше трития проходит через вашу систему, тем меньше его попадает в компоненты, — говорит Паризи.

Также можно сделать хранилища и перерабатывающие предприятия, необходимые для трития, гораздо меньше и эффективнее. Это облегчает получение ядерных лицензий.

Люди думают, что размер границ площадки в какой-то степени пропорционален количеству трития. Так что, если у вас будет намного меньше трития, ваша станция может быть меньше, быстрее получить разрешение регулирующих органов и дешевле.

Новые пути для исследования

Необходима дальнейшая работа по изучению вещей, которые необходимы для реализации предложенной системы, но еще не до конца изучены. «Необходимо определить, возможно ли реализовать интегрированные сценарии, поддерживающие высококлассную термоядерную плазму с такими специфическими потоками избыточного топлива и золы из плазмы», — сказал Шварц.

По словам Диалло, существуют также потенциальные проблемы, связанные с методами поляризации, но они открывают новые возможности.

Одна из задач — продемонстрировать методы производства спин-поляризованного топлива в больших количествах и его хранения. Это откроет совершенно новую технологическую область.

Результаты опубликованы в журнале Nuclear Fusion.

Ранее мы писали, что Росатом наградил молодых ученых за прорывные проекты в области энергетики.