Rosyjscy fizycy z Instytutu Fizykotechniki im. A. F. Ioffe w Petersburgu opisali jonowe procesy wymiany ciepła w kulistym tokamaku. Wyniki badań, które przybliżają naukowców do rozwiązania problemu syntezy termojądrowej, zostały opublikowane w czasopiśmie Plasma Physics and Controlled Fusion.
Jeśli naukowcom uda się zrealizować ideę kontrolowanej syntezy termojądrowej, ludzkość otrzyma prawie niewyczerpane źródło energii. Elektrownie termojądrowe są uznawane za bezpieczne i przyjazne dla środowiska: w porównaniu z elektrowniami jądrowymi nie ulegają reakcjom wybuchowym oraz, w przeciwieństwie do spalania węglowodorów, nie dochodzi do emisji dwutlenku węgla i tlenków azotu, które przyczyniają się do globalnego ocieplenia i zanieczyszczają środowisko. Ponadto neutrony otrzymane w wyniku syntezy termojądrowej mogą zniszczyć odpady radioaktywne w elektrowniach jądrowych.
Eksperymenty nad syntezą termojądrową przeprowadzane są na całym świecie w specjalnych instalacjach - tokamakach, w których gaz z lekkich pierwiastków - wodoru, deuteru i trytu - jest podgrzewany do temperatury 100 mln stopni, co umożliwia wytworzenie plazmy - gazu naładowanych cząstek: jonów i elektronów. Jony rozgrzanej plazmy zderzają się ze sobą w taki sam sposób, jak ma to miejsce we wnętrzu Słońca. W tym przypadku powstają jądra helu i uwalniane są neutrony, a energia neutronów, która przekracza koszt nagrzania plazmy, może zostać wykorzystana w przemyśle i energetyce.
Głównym zadaniem fizyków jest nauczenie się utrzymywania plazmy w instalacjach termojądrowych przy użyciu silnego pola magnetycznego przez stosunkowo długi czas. A do tego trzeba nie tylko wiedzieć, jakie procesy zachodzą w tej plazmie, ale także mieć ich matematyczny opis, aby móc je kontrolować. Ponadto znajomość procesów jonowych w plazmie jest niezbędna do projektowania dużych obiektów, takich jak międzynarodowy eksperymentalny reaktor termojądrowy ITER.
Instytut Fizykotechniki AF Ioffe dysponuje unikalną eksperymentalną instalacją termojądrową - kulistym tokamakiem Globus-M, przeznaczoną do badania zachowania plazmy w warunkach laboratoryjnych, a nie reaktorowych.
Pracownicy Instytutu zbadali i opisali proces jonowej wymiany ciepła w plazmie tokamaka Globus-M. Praca ta została wsparta grantem z Prezydenckiego Programu Projektów Badawczych Rosyjskiej Fundacji Nauki (RSF).
„Potwierdziliśmy, że specyfika procesów fizycznych zachodzących w plazmie sferycznego tokamaka Globus-M zapobiega występowaniu dodatkowych strat ciepła przez kanał jonowy na skutek turbulencji plazmy. Oznacza to, że instalacja tego typu jest dobrą podstawą do stworzenia zwartego źródła neutronów termojądrowych”- cytował w komunikacie Rosyjskiej Fundacji Nauki szef badań, kandydat nauk fizycznych i matematycznych Gleb Kurskiev.
Im lepsze ogrzewanie plazmy, tym wydajniejsza jest fuzja, a to wymaga silnego pola magnetycznego i prądu elektrycznego przepływającego przez plazmę. Wręcz przeciwnie, turbulencja jonów plazmy przeszkadza w efektywnym ogrzewaniu: zamiast użytecznych zderzeń jony są odchylane i opuszczają plazmę, co narusza jej izolację termiczną. W swojej pracy naukowcy ocenili stopień wymiany ciepła w kulistym tokamaku Globus-M.
Film promocyjny:
„Sprawdzony eksperymentalnie model do obliczania parametrów nagrzewania plazmy pozwoli nam zaprojektować kompaktowe źródło wysokoenergetycznych neutronów, które można wykorzystać do rozszczepiania ciężkich jąder. Energię można również pozyskać w procesie. Nasze badania znacznie przyspieszą opracowywanie i wdrażanie bardziej wydajnych systemów jądrowych wykorzystujących zarówno procesy syntezy, jak i rozszczepienia”- wyjaśnia Gleb Kurskiyev.
Badania naukowców uzupełniają podstawową wiedzę zdobytą podczas eksperymentów na podobnych instalacjach europejskich i amerykańskich. Łącząc wyniki eksperymentów, w przyszłości możliwe będzie zaprojektowanie bardziej zaawansowanego urządzenia do reakcji syntezy jądrowej - twierdzą naukowcy.