Сегодня - 23.10.2017

Эффективность термоядерных реакторов повысит поляризованное топливо

17 августа 2016

Ученые из Новосибирска и Германии исследуют возможность получения нового топлива из ядерно-поляризованных частиц (преимущественно дейтерия), способного повысить эффективность работы термоядерных реакторов, в рамках совместного проекта «К молекулярному источнику поляризованного дейтериевого топлива для исследований ядерного синтеза и других применений». 

Неудержимо развиваясь, человечество потребляет всё больше и больше энергии. К настоящему времени ее годовое производство составляет более 50 000 млрд кВт-час. Из них свыше 85 % приходится на сжигание нефти, угля и газа, запасы которых не бесконечны. По различным оценкам их хватит 30—70 лет. Кроме того, при сжигании традиционных источников в атмосферу земли ежегодно выбрасывается более 30 млрд тонн СО2 — такое количество может привести к парниковому эффекту. По мнению ученых, увеличение температур воздуха более чем на два градуса по Цельсию чревато возрастанием риска климатических катаклизмов. Выработка энергии атомными станциями составляет в настоящее время около 5 % и, по-видимому, будет увеличиваться. Однако как мы знаем, на таких объектах случаются катастрофы. 
 
Ученые полагают, что энергетикой будущего станет управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжелых атомных ядер из более легких с целью получения энергии. УТС отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более легкие. 
 
ITER в марте 2016 года
 
В настоящее время на юге Франции в местечке Кадараш создается Международный термоядерный экспериментальный реактор Международный термоядерный экспериментальный реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER), задачей которого является демонстрация возможности коммерческого использования термоядерного синтеза для получения энергии и решение физических и технологических проблем, которые встретятся на этом пути. 
 
Основная реакция, используемая в ITER — слияние ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия (альфа-частицы) и высокоэнергетического нейтрона. Ядерный спин дейтерия равен 1, а спин ядра трития ½. Полный спин такой системы может быть равен 3/2 или ½. Для энергий плазмы, характерной для ITER, эта реакция протекает в S-волне (поперечной) и имеет резонансный характер для спина 3/2 (вероятность взаимодействия 96 %), остальное приходится на спин 1/2 и более высокие волны. Учитывая статистический вес этих состояний, можно сказать, что одна треть ядер, находящихся в реакторе, практически не участвует в получении энергии. Тем не менее, эта часть прогревается до высокой температуры, то есть энергия тратится впустую.
 
«Как уголь: бывает с высокой зольностью и низкой. Плохо, если после прогорания остается много золы. Процессы в основе функционирования реактора устроены таким образом, что, скажем, 1/3 топлива просто не работает. Однако если взять поляризованное топливо, этого можно избежать. В таком случае оно будет использоваться на 100 %, и затраты уменьшатся, а мощность термоядерного реактора останется прежней», — рассказывает руководитель российского научного коллектива, ведущий научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, доктор физико-математических наук Дмитрий Константинович Топорков. 
 
Связано это с тем, что ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих частиц. Применив поляризованное топливо, получим взаимодействующие частицы с суммарным спином 3/2, повысив тем самым эффективность использования топлива в полтора раза.
 
Поляризованные атомные пучки дейтерия и водорода получают уже давно в целях проведения физических экспериментов, в том числе и в ИЯФ СО РАН. Для этого создается сложная электрофизическая установка, в которой из обычных молекул (газ дейтерий или водород из баллона) формируется пучок поляризованных по ядерному спину атомов. «Для проведения экспериментов с поляризованными мишенями в ИЯФ был сделан наиболее мощный источник поляризованных атомов дейтерия со сверхпроводящими секступольными магнитами. Между тем топливо в виде атомов недостаточно эффективно, и, что самое печальное, интенсивность таких источников принципиально ограничена некоторыми физическими процессами. Поэтому мы предложили схему получения поляризованных по ядерному спину молекул. Данное решение облегчает изготовление поляризованного топлива и снимает ряд принципиальных ограничений», — объясняет Дмитрий Константинович. 
 
Инициаторы проекта Ральф Энгельс (FZ Juelich) и Дмитрий Топорков (ИЯФ СОРАН)
 
В Дюссельдорфском университете им. Генриха Гейне (Германия) ученые трудятся над управляемым инерциальным термоядерным синтезом, когда твердое или жидкое топливо разогревается до нужных температур сверхмощным лазерным импульсом. Поляризованное топливо и здесь бы повысило выход реакции. В данном случае поляризованные молекулы можно было бы сконденсировать в жидкость или в лед. В Германии, конечно, работают над получением поляризованных молекул, только процесс этот весьма трудоемок. Сначала образуют поляризованные атомы (интенсивность которых, как отмечалось ранее, ограничена), далее объединяют их в молекулу. Важно, что немецкие ученые умеют измерять степень поляризации ядер в молекулах. 
 
Новосибирские специалисты считают, что традиционной цепочки (молекулы — поляризованные атомы — поляризованные молекулы) можно избежать и сразу получать последние. Однако из-за замкнутой электронной оболочки молекула обладает только ядерными магнитными моментами, которые весьма малы. В этом отношении атом гораздо удобнее, так как у него магнитный момент в 300 раз больше, чем у молекулы, поэтому атомы проще сфокусировать и разделить пространственно. Дмитрий Топорков уверяет, что это не проблема: «Поскольку у нас имеются сверхпроводящие магниты с весьма большим магнитным полем, то мы способны сфокусировать молекулы. Для этого нужно сильно понизить их температуру. Сделать это несложно, так как в источнике используется жидкий гелий. Нам важно продемонстрировать такую возможность и изучить фокусировку молекул, а дальше, на основе результатов, полученных в ходе этого исследования, — создавать более масштабный прототип. Например, сейчас у нас два магнита длиной 7 и 12 сантиметров, а надо будет увеличить этот параметр до двух метров. В принципе, всё это реализуемо». 
 
Другой вопрос, ответ на который ученым предстоит найти в ходе своего проекта, получившего совместный грант Российского научного фонда и Немецкого физического общества, — изучение сохранения поляризации молекул, а также измерение последнего. Немецкие ученые создали Lamb-shift поляриметр, установку, с помощью которой можно анализировать ядерную поляризацию как атомов, так и молекул. «Наши партнеры готовы сделать большую часть поляриметра, мы, в свою очередь, также внесем вклад в устройство и применим его для исследования поляризации молекул из нашего источника», — добавляет Дмитрий Константинович. 
 
В дальнейшем ученые планируют узнать, долго ли сохраняется поляризация, а также заняться самими молекулами: есть ли возможность их компрессировать, собирать и изучать свойства. В перспективе поляризованные молекулы, возможно в замороженном виде (как таблетки льда), послужат топливом для установок, работающих на основе лазерного синтеза, токамак-реакторов или в качестве поляризованной мишени высокой плотности для различных физических экспериментов. 
 
Елена Ситникова
 
Фото: ITER Collaborative ©ITER IO из открытых источников (анонс, 1), предоставлено ИЯФ СО РАН (2)
 
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 4.3 (4 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus