Энергетическая инфраструктура будущего может развиваться в нескольких направлениях, но все они так или иначе будут ориентироваться на снижение вредных выбросов. В основном «зеленая» энергетика ассоциируется с альтернативными источниками энергии, но теперь ученые предлагают принципиально другой путь. Разработка коммерческой термоядерной энергии позволит добиться нулевого уровня выбросов при экономной эксплуатации электростанций.
Амбициозный проект
Сотрудники Принстонской лаборатории физики плазмы в сотрудничестве с частными предприятиями занялись передовыми исследованиями термоядерного синтеза с целью получения коммерческой термоядерной энергии.
Разработка находится под ведомством государственно-частной программы грантов Министерства энергетики США, но авторы также сотрудничают с Центром изучения плазмы и синтеза при Массачусетском технологическом институте. На базе этого института также был основан стартап, разрабатывающий термоядерное устройство SPARC для токамаков.
С технологической точки зрения главная цель проекта заключается в предсказании утечки быстрых альфа-частиц, которые образуются в процессе термоядерных реакций в устройстве SPARC с учетом размера и потенциальных несовпадений сверхпроводящих магнитов.
Данные частицы способны генерировать «горящую плазму», которой питается термоядерная реакция. Создание самонагревающейся плазмы – это главная научная цель проекта в сфере исследования термоядерной энергии.
Сверхпроводящие магниты
К особенностям устройства SPARC относятся компактные размеры и мощные магнитные поля. Последние формируются за счет сверхпроводящих магнитов нового типа, которые могут функционировать в условиях более высокого напряжения, превосходя все действующие сегодня аналоги. С практической точки зрения применения станции это означает возможность строительства небольших термоядерных установок с меньшим объемом финансовых вложений.
Но для этого потребуется удержание быстрых альфа-частиц, созданных в реакциях термоядерного синтеза, достаточное количество времени для поддержания горячей плазмы. Как отмечают авторы исследования, машина SPARC может добиться таких результатов.
Функциональные преимущества
Для проверки способности SPARC удерживать альфа-частицы разработчики проекта использовали специальный компьютерный код SPIRAL. Подготовленный алгоритм имитировал рябь или волнистый узор в магнитном поле, где быстрые частицы могут высвобождаться. Испытания модели SPIRAL показали, что SPARC не просто удерживает частицы, но также не имеет внутренних повреждений на стенках.
Результаты применения компьютерного алгоритма вселили надежду в ученых. Таким образом они получили вычислительное подтверждение о степени возможных потерь, вызванных пульсациями.
В процессе синтеза легкие элементы должны объединяться в форме плазмы, которая представляет собой горячее заряженное вещество, состоящее из атомных ядер и свободных электронов. Данные ядра составляют 99 % от видимой Вселенной, что позволяет генерировать огромное количество энергии.
В итоге практическое применение данного принципа извлечения энергии путем термоядерного синтеза дало бы огромные преимущества всему человечеству, предоставляя неограниченный источник для выработки электроэнергии при нулевом уровне вредных выбросов. Собственно, к этой цели стремится все мировое научное сообщество, не говоря о заинтересованных представителях бизнеса.
Проектная инструкция
Рабочая команда проекта также разработала специальное руководство для реализации установки SPARC. Ученые подчеркивают важность соблюдения правил компоновки станции магнитами, в чем и поможет соответствующая проектная инструкция с подробными расчетами. Например, несовпадение магнитов может увеличить вызванные пульсацией утечки частиц, что усилит мощность ударов о стены установки. В руководстве содержатся стандарты, по которым инженерная группа должна будет выравнивать магниты с целью минимизации потерь термоядерных частиц.
В случае правильной настройки активных элементов SPARC позволит изучить процесс саморазогрева плазмы, а в дальнейшем разработать более эффективные методы ее контроля на термоядерных электростанциях нового поколения.
