Тема:

Термоядерный синтез 2 дня назад

20 тесла: новый магнит открывает дорогу управляемому термоядерному синтезу

Демонстрационное устройство SPARC в представлении художника.

Демонстрационное устройство SPARC в представлении художника.
Иллюстрация T. Henderson, CFS/MIT-PSFC, 2020.

Внешний вид одной из 16 пластин, из которых состоит показавший рекордные характеристики магнит.

Внешний вид одной из 16 пластин, из которых состоит показавший рекордные характеристики магнит.
Фото Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC, 2021.

К этому историческому моменту исследователи из MIT шли последние три года.

К этому историческому моменту исследователи из MIT шли последние три года.
Фото Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC, 2021.

Демонстрационное устройство SPARC в представлении художника.
Внешний вид одной из 16 пластин, из которых состоит показавший рекордные характеристики магнит.
К этому историческому моменту исследователи из MIT шли последние три года.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) впервые создали поле с индукцией в 20 тесла при относительно высокой температуре при помощи крупного сверхпроводящего электромагнита. Это самое сильное в своём роде магнитное поле, когда-либо полученное учёными.

Это достижение приближает человечество ещё на один шаг к созданию термоядерной электростанции, которая будет производить больше энергии, чем потребляет.

Управляемый термоядерный синтез позволит получать "чистую энергию", которая наконец позволит человечеству отказаться от использования углеводородов в энергетике, а значит, сократить количество выбросов парниковых газов в атмосферу.

Топливо для термоядерного синтеза будут получать из обыкновенной воды, которая является возобновляемым ресурсом планеты.

Исследователям остаётся "всего ничего": найти способ получать и сохранять эту энергию.

Демонстрационное устройство SPARC в представлении художника.

Термоядерные реакции являются источником энергии звёзд, и Солнце не исключение. Синтез заключается в слиянии двух небольших атомов в один большой с высвобождением огромного количества энергии.

Однако в светилах этот процесс происходит при запредельно высокой температуре (сотни миллионов градусов Цельсия). Такой жар не способен выдержать ни один твёрдый материал.

Чтобы безопасно "удержать" источник энергии Солнца здесь, на Земле, необходимо создать способ улавливания и удержания столь сильно раскалённого вещества. Это можно сделать, "подвесив" вещество в пространстве так, чтобы оно ни с чем не соприкасалось.

Для этого учёные и стремятся создать сильнейшее магнитное поле. Оно запирает внутри себя горячий суп из протонов и электронов, известный под названием плазма, и играет роль "невидимой бутылки".

У электронов и протонов есть электрический заряд, поэтому контролировать их с помощью магнитного поля — вполне посильная задача. В настоящее время для этого используется специальная установка для магнитного удержания плазмы — токамак.

Большинство созданных на сегодняшний день токамаков создают магнитное поле с помощью обычных электромагнитов из меди. При этом самая большая версия подобного устройства, ITER, которая строится во Франции, использует так называемые низкотемпературные проводники.

Главным новшеством, привнесённым инженерами MIT в устройство, которое должно удержать под контролем термоядерный синтез, является применение высокотемпературных сверхпроводников (слово "высокотемпературный" в данном случае подразумевает работу при относительно больших температурах, не близ абсолютного нуля). Такие сверхпроводники обеспечивают гораздо более сильное магнитное поле в меньшем пространстве.

Ещё в 2015 году ядерные физики из MIT разработали концепцию термоядерной электростанции нового типа — ARC. Однако для начала они приняли решение создать тестовое устройство, примерно вполовину меньшее, чем задуманный прототип, и назвали его SPARC.

К этому историческому моменту исследователи из MIT шли последние три года.

Этот проект стал возможным благодаря новому виду сверхпроводящего материала, поступившему в продажу несколько лет назад.

Этот материал производится в виде плоского, похожего на ленту, провода. Как мы уже писали, он позволяет создать мощное магнитное поле в малом объёме пространства. Для сравнения, с помощью низкотемпературных сверхпроводящих магнитов тех же характеристик можно было бы достигнуть лишь в устройстве в 40 раз большего размера.

Сильное магнитное поле в сравнении с размерами устройства — главное преимущество проекта ARC.

"Мы заняли нишу, которая заключается в использовании традиционной физики плазмы, традиционных инженерных решений конструкции токамаков, но с использованием новой магнитной технологии. Таким образом нам не требовалось инноваций в полудюжине разных областей. Мы лишь улучшили магнит, а затем приложили базу знаний, полученную в течение последних десятилетий", – объясняет Мартин Гринвальд (Martin Greenwald), старший научный сотрудник Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза MIT.

Такой подход позволит в относительно краткие сроки создать экономически выгодную термоядерную электростанцию, сообщается в пресс-релизе института.

В ходе испытаний новый магнит подключался поэтапно, в результате чего исследователям удалось создать магнитное поле с индукцией 20 тесла. Магнит состоит из 16 пластин, каждая из которых сама по себе могла бы стать самым мощным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом в мире.

Внешний вид одной из 16 пластин, из которых состоит показавший рекордные характеристики магнит.

Следующим шагом станет непосредственно строительство SPARC – уменьшенной версии термоядерной электростанции. Её строительство планируют завершить в 2025 году.

Её успешное введение в работу будет говорить о том, что полномасштабная коммерчески выгодная термоядерная электростанция возможна на практике. А значит, после этого можно будет смело начать строительство этого прорывного устройства.

"Теперь я искренне уверена в том, что SPARC сможет достичь положительной чистой энергии, основываясь на характеристиках, которые продемонстрировали магниты. Следующим шагом будет масштабирование, постройка настоящей электростанции.

Впереди ещё много трудностей, не последней из которых является разработка конструкции, обеспечивающей надежную и стабильную работу. И, понимая, что цель здесь – коммерциализация, ещё одна серьёзная проблема будет экономической. Как спроектировать эти электростанции, чтобы их строительство и ввод в эксплуатацию были рентабельны?", – рассуждает Мария Зубер (Maria Zuber), вице-президент по исследованиям Массачусетского технологического института.

Зубер отмечает, что производство энергии с помощью термоядерного синтеза станет грандиозным научным достижением. Это позволит человечеству продолжать жить и развиваться на планете, сократив загрязнение атмосферы и изменение климата до возможного минимума.

К слову, ранее мы писали о создании самого мощного магнитного поля в лабораторных условиях. Сообщали мы и о создании рекордного магнитного поля на маленькой катушке, а также о получении материала, впервые ставшего сверхпроводником при комнатной температуре.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".