Термоядерный синтез: как ученые пытаются приручить энергию Солнца

Стремление к получению чистой, устойчивой энергии никогда не было столь важным, и ядерный синтез обещает совершить революцию в том, как мы питаем наш мир.

Повторяя процесс, который питает Солнце, термоядерные электростанции могут обеспечить практически безграничную энергию без воздействия на окружающую среду ископаемого топлива.

В авангарде этой революционной технологии находятся стеллараторы — гениальные реакторы, рассчитанные на непрерывную работу. Однако для реализации их потенциала необходимо преодолеть значительные технические трудности.

Технологический институт Карлсруэ (KIT) в партнерстве с ведущими научными и промышленными экспертами решает эти проблемы.

В рамках амбициозного проекта SyrVBreTT KIT стремится разработать интегрированный топливный цикл, специально предназначенный для стеллараторов. Эта инновация может проложить путь к созданию практических термоядерных электростанций, приближая нас к революции в области чистой энергии.

Объяснение термоядерной энергии

Термоядерная энергия — это процесс объединения легких атомных ядер, таких как изотопы водорода, с образованием более тяжелого ядра, в результате которого выделяется огромное количество энергии.

В отличие от деления ядер, при котором расщепляются атомы и образуются радиоактивные отходы, термоядерный синтез производит минимальное количество отходов и представляет собой меньший риск катастрофического разрушения.

Топливо для термоядерного синтеза, в первую очередь изотопы водорода, такие как дейтерий и тритий, имеется в изобилии. Дейтерий можно добывать из морской воды, а тритий — из лития в специализированных реакторах.

При успешном внедрении термоядерные электростанции могут стать устойчивым и надежным источником энергии с незначительным углеродным следом.

Что такое стеллараторы

Стеллараторы — это передовой дизайн термоядерных реакторов. В отличие от своего аналога, токамака, в котором используется симметричная конструкция в форме пончика, стеллараторы используют закрученное магнитное поле для удержания плазмы — перегретого газа, в котором происходит термоядерный синтез.

Эта уникальная геометрия позволяет работать непрерывно, что делает стеллараторы более подходящими для будущего производства энергии.

Однако стеллараторы имеют свой собственный набор инженерных задач. Точное управление плазмой и разработка эффективных систем для поддержания непрерывной работы имеют решающее значение.

Разработка интегрированного топливного цикла, который управляет термоядерным топливом и побочными продуктами, является одним из наиболее актуальных препятствий.

Проект KIT по развитию технологии стеллараторов

KIT возглавляет усилия по преодолению этих технических препятствий. В сотрудничестве с промышленными и академическими партнерами KIT возглавляет проект SyrVBreTT (синергетический альянс по технологиям топливного цикла и трития). Эта инициатива направлена на разработку первого интегрированного топливного цикла, предназначенного для стеллараторов.

В термоядерных реакторах в качестве топлива используется смесь изотопов водорода — дейтерия и трития. Во время работы реактор преобразует эту смесь в гелий, выделяя при этом энергию.

Для поддержания стабильности и эффективности плазмы необходимо постоянно удалять излишки гелия и пополнять топливную смесь. Этот сложный процесс, известный как внутренний топливный цикл, является центральным в работе реактора.

Дополнительную сложность представляет потребность в тритии, который из-за его короткого периода полураспада приходится получать искусственно. Размножители внутри реактора генерируют тритий путем взаимодействия с литием, образуя внешний топливный цикл.

Проект SyrVBreTT направлен на разработку и интеграцию всех компонентов, необходимых для обоих циклов, включая насосы, накопители и системы впрыска топлива.

Испытания и проверка топливного цикла

Одним из наиболее новаторских аспектов работы KIT является создание испытательной установки для топливного цикла. Эта установка позволит исследователям оценить весь топливный цикл в реальных условиях.

Благодаря передовому моделированию и экспериментальным установкам команда убедится, что все компоненты работают слаженно.

Такой целостный подход — интеграция внутреннего и внешнего топливных циклов — представляет собой значительный шаг вперед в области термоядерных технологий.

Испытательная установка поможет преодолеть разрыв между экспериментальными установками и практическим применением, прокладывая путь к первому поколению действующих термоядерных электростанций.

Путь вперед для термоядерного синтеза

Хотя потенциал термоядерной энергии огромен, путь к ее коммерциализации остается сложным. Стеллараторы предлагают многообещающий путь благодаря возможности непрерывной работы, но их сложность требует инновационных решений.

Интегрированный топливный цикл, разрабатываемый в KIT, является одним из таких решений, устраняющих критические узкие места в технологии.

Поскольку страны стремятся достичь своих климатических целей и снизить зависимость от ископаемого топлива, инвестиции в исследования термоядерной энергии растут.

Стеллараторы и другие конструкции термоядерных реакторов могут изменить глобальный энергетический ландшафт, обеспечив чистое, устойчивое решение для обеспечения энергией будущего.

Ранее ученые сообщили о новом методе прогнозирования распределения флуктуаций в плазме.

14.01.2025