Venäläiset fyysikot A. F. Ioffe -fysiikan teknisestä instituutista Pietarissa kuvasivat ionisia lämmönsiirtoprosesseja pallomaisessa tokamakissa. Tutkimuksen tulokset, jotka tuovat tutkijat yhden askeleen lähemmäksi lämpöydinfuusion ongelman ratkaisemista, julkaistaan lehdessä Plasma Physics and Controlled Fusion.
Jos tutkijat onnistuvat toteuttamaan hallitun lämpöydinfuusion ajatuksen, ihmiskunta saa melkein ehtymättömän energialähteen. Fuusiovoimalaitokset tunnustetaan turvallisiksi ja ympäristöystävällisiksi: verrattuna ydinvoimaloihin niissä ei ole räjähtäviä reaktioita, ja toisin kuin hiilivetyjen palamisessa, hiilidioksidin ja typen oksidien päästöjä ei ole, jotka vaikuttavat ilmaston lämpenemiseen ja saastuttavat ympäristöä. Lisäksi lämpöydinfuusiosta saadut neutronit voivat tuhota radioaktiivista jätettä ydinvoimaloissa.
Lämpöydinfuusiokokeita suoritetaan kaikkialla maailmassa erityisissä laitoksissa - tokamakseissa, joiden sisällä kevyt elementtien kaasu - vety, deuterium ja tritium - lämmitetään 100 miljoonan asteen lämpötilaan, mikä tekee mahdolliseksi muodostaa plasma - varautuneiden hiukkasten kaasun: ionit ja elektronit. Kuumennetut plasmaionit törmäävät keskenään samalla tavalla kuin tapahtuu Auringon sisätiloissa. Tässä tapauksessa muodostuu heliumydimiä ja vapautetaan neutroneja, ja neutronienergiaa, joka ylittää plasman lämmityskustannukset, voidaan käyttää teollisuudessa ja energiateollisuudessa.
Fyysikoiden päätehtävänä on oppia pitämään plasma lämpöydinlaitosten sisällä voimakasta magneettikenttää käyttämällä suhteellisen pitkään. Ja tätä varten sinun ei tarvitse vain tietää, mitkä prosessit tässä plasmassa tapahtuvat, vaan myös omata niiden matemaattinen kuvaus voidakseen hallita niitä. Lisäksi plasman ioniprosessien tuntemus on tarpeen suurten tilojen, kuten kansainvälisen kokeellisen lämpöydinreaktorin ITER, suunnittelussa.
AF Ioffe -fysiikan teknillisessä instituutissa on ainutlaatuinen kokeellinen lämpöydinlaitteisto - pallomainen Globus-M-tokamakki, joka on suunniteltu tutkimaan plasman käyttäytymistä laboratorio-olosuhteissa, ei reaktoritilassa.
Instituutin henkilökunta tutki ja kuvaili ionisen lämmönvaihdon prosessia Globus-M-tokamakin plasmassa. Tätä työtä tuettiin Venäjän tiedesäätiön (RSF) presidentin tutkimusprojektien avustuksella.
”Olemme vahvistaneet, että Globus-M-pallomaisen tokamakin plasman fysikaalisten prosessien erityispiirteet estävät ylimääräisten lämpöhäviöiden syntymistä ionikanavan kautta plasman turbulenssin takia. Tämä tarkoittaa, että tämäntyyppinen asennus on hyvä perusta pienikokoisen lämpöydinneutronien lähteen luomiseen”, tutkimuspäällikkö, fysiikan ja matemaattisten tieteiden kandidaatti Gleb Kurskiev lainasi Venäjän tiedesäätiön lehdistötiedotteeseen.
Mitä paremmin plasma kuumenee, sitä tehokkaampi fuusio on, ja tämä vaatii voimakasta magneettikenttää ja plasman läpi virtaavaa sähkövirtaa. Päinvastoin, plasmaionien turbulenssi häiritsee tehokasta kuumennusta: hyödyllisten törmäysten sijaan ionit taipuvat ja poistuvat plasmasta, mikä rikkoo sen lämmöneristystä. Tutkijat ovat työssään arvioineet lämmönsiirron astetta Globus-M-pallomaisessa tokamakissa.
Mainosvideo:
”Kokeellisesti todistettu malli plasmalämmityksen parametrien laskemiseksi antaa meille mahdollisuuden suunnitella kompakti korkeaenergisten neutronien lähde, jota voidaan käyttää raskaiden ytimien fissioon. Energiaa voidaan saada myös prosessissa. Tutkimuksemme nopeuttaa merkittävästi tehokkaampien ydinjärjestelmien kehittämistä ja käyttöönottoa sekä fuusio- että fissioprosesseja käyttämällä”, Gleb Kurskiyev selittää.
Tutkijoiden tutkimus täydentää perustiedot, jotka on saatu kokeilemalla vastaavia eurooppalaisia ja amerikkalaisia laitoksia. Yhdistämällä kokeiden tulokset voidaan tulevaisuudessa suunnitella edistyneempi laite ydinfuusioreaktioihin, tutkijat sanovat.