Управляемият ядрен синтез може да реши проблема с производството на енергия

Учени от Института по електроника на БАН разработиха устройство, наречено анализатор на забавящо поле, което се използва за провеждане на експерименти, свързани с диагностика на плазмата при управляем термоядрен синтез. Устройството е инсталирано на токамак във Франция и с него са постигнати за първи път резултати, които ще предизвикат промени в моделирането на физичните процеси. Уникалните изследвания от измерването на йонната температура в дивертора на токамак WEST са представени по време на 24-тото издание на Международната школа по вакуумни, електронни и йонни технологии. (Диверторът е част от вакуумната камера, в която се извличат замърсявания от плазмата на термоядрения синтез, като предотвратява директен контакт между горещата плазма и основната стена на камерата.)

Резултатите, плод на работата на международния екип, включващ учени от четири европейски държави – България, Франция, Чехия и Словения, са обявени по време на форума. Екипът доказва, че температурата на йоните е няколко пъти по-висока от тази на електроните. Досега се е предполагало, че при моделни пресмятания тези температури винаги са равни. Този резултат ще доведе до големи промени при моделирането на реалните физични процеси. Основната цел на провежданите експерименти е да се постигне управляем термоядрен синтез, който е един от най-перспективните бъдещи енергийни източници. За повече подробности, свързани с научния пробив на изследователите, измерили йонната температура в дивертора на токамак WEST, потърсихме доц. Павлина Иванова, ръководител на екипа, изобретил анализатора на забавящо поле.

Павлина Иванова получава възможност да посети токамака CASTOR в Прага, току-що защитила магистърската си степен. Заинтригувана силно, тя се насочва към работа в областта на термоядрения синтез и високотемпературната плазма. Защитава и докторска степен в областта на високотемпературната плазма.

Токамакът е огромно по мащаби устройство, в което реално се случва управляемият термоядрен синтез.

„Представете си малко Слънце на Земята, така мога да го опиша – казва доц. Иванова. – Идеята на токамака е в него да се пресъздадат процесите на синтез на леки ядра – енергийният механизъм захранващ Слънцето и звездите. В този процес се отделя огромно количество енергия.“

За успешното протичане на управляем термоядрен синтез е необходимо газът в камерата да се нагрее до много високи температури. Тогава е възможно двете ядра на леки елементи да се слеят, образувайки ядрото на нов елемент. А при този процес се отделя и голямо количество енергия. За задържането на високотемпературната плазма в центъра на реакторите се използва магнитно поле.

„Към момента за най-перспективна се смята реакцията на синтез между изотопите на водорода – деутерий и тритий. Деутерият много лесно се извлича от водата чрез електролиза, което го прави евтин и неизчерпаем ресурс. Тритият се получава от реакцията на сливане между неутрон и литий, който е друг широко разпространен елемент, добиван от морската вода. Целта е тритият да се създава в самата камера, където се намира т.нар. литиево одеяло, и при взаимодействието да се самовъзпроизвежда тритий, който е в основата на реакцията на синтеза. Учените търсят начин именно тази енергия да се използва за електроцентрали и за производство на евтина енергия. Това е глобален въпрос, който засяга всички нас“, подчертава ученият.

В момента Павлина Иванова е ръководител на проект към Фонд „Научни изследвания“.

И тъй като в България няма реактор от типа токамак, учените искат да създадат по-малка инсталация, отново с магнитно поле. Целта е в инсталацията да се създава плазма, която може да се изследва. По този проект българският екип работи в сътрудничество с колеги от Франция и по тяхна идея е създаден анализаторът на забавящото поле.

„Ние проектирахме дизайна и изработихме устройството – уточнява доц. Иванова. – През есента на миналата година той бе монтиран в дивертора на токамак WEST във Франция. И реално вече работи. Диверторът отклонява заредените частици към външната пристенна част на камерата, където те се сблъскват с преграда мишена и се неутрализират. Използва се като част от системата за изпомпване на неутралните частици и на получения от реакцията на синтез хелий, като по този начин предотвратява директния контакт между горещата плазма и стената на камерата на токамака“, обяснява доц. Павлина Иванова.

Отбелязва още, че идеята е, че в тази периферна област температурите не са толкова високи и това позволява да се използват така наречените сонди за измерване на параметрите на плазмата. Всъщност сондата е тънък проводник, поместен в нея. Използваните досега сонди дават възможност за измерване на електронната температура. Анализаторът на забавящото поле обаче позволява да се измери температурата и на йоните, което е нещо ново.

В досегашните изследвания, като цяло, се е смятало, че в дивертора електронната и йонната температура са равни, но последните резултати показват, че не е така.

И йонната температура е значително по-висока от тази на електроните. А това ще повлияе на моделите за пресмятания, в които се въвежда тя. Това, от своя страна, ще промени резултатите, тъй като това условие влиза в пресмятането на плътността на електроните, на топлинните потоци, които се изхвърлят от плазмата към камерата, и т.н.

„Това е много важен резултат. Във Франция работим в екип с колеги от Словения и Чехия, с които заедно провеждаме експериментите и анализираме резултатите“, уточнява изследователката.

Научните изследвания продължават с надеждата да бъде осигурен самоподдържащ се, неизчерпаем източник на евтина енергия. Точно такава е целта на учените от цял свят. А българското участие е в една конкретна област.

Учените възлагат надежди на така наречения ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) – проект от световен мащаб, който от години се изгражда във френския град Кадараш. В инициативата участват 7 партньора – Европейски съюз (домакин), САЩ, Русия, Китай, Индия, Япония и Република Корея. Това е експериментален реактор, който има за цел да демонстрира самоподдържане на термоядрената реакция и да покаже, че контролираният термоядрен синтез е осъществим като източник на енергия в мащаб на електроцентрала.

„Нашата работа на по-малките реактори е да провеждаме изследвания, така че да подпомогнем в бъдеще експериментите на ITER. Основните проблеми при изследванията могат да бъдат групирани в две основни направления – инженерно-физични, свързани с качеството и издръжливостта на технологичните материали, утилизация на получаваната енергия, размножаване и отвеждане на тритий и др., както и повишаване температурата на плазмения стълб и неговата стабилизация за продължителен интервал от време; удържането на плазмата в центъра на камерата на токамакa без контакт със стените му“, обобщава доц. Иванова.