Защо Институтът Макс Планк искаше да приготви плазмата в своя реактор за синтез

Няма нищо подобно на термоядрен реактор, който да генерира вълнение. След девет години на изграждане и 1 милиард евро учени от Института по физика на плазмата Макс Планк пуснаха първия горещ тест на устройството за синтез на Wendelstein 7-X на 10 декември и генерираха хелиева плазма, която продължи една десета от секундата и достигна милион градуса по Целзий. Но все още не се поддавайте прекалено много. Това беше само една стъпка към подготовката на устройството за истинската му цел: изучаване на ядрения синтез с водородния газ.

Добре, сега ти се изпомпва.

Фюжънът отдавна е златното теле от изследвания в областта на ядрената енергетика, показвайки ядрен разпад във всички категории, с изключение на осъществимостта. Сливането произвежда огромно количество енергия - в края на краищата, това е същият процес, който захранва слънцето. Но самата му сила прави болката в задника да се справя. Всеки изграден досега термоядрен реактор консумираше повече енергия, отколкото произвеждаше. Рекордът за термоядрената енергия беше определен през 1997 г.: 16 мегавата произведени с входна мощност от 24 мегавата. Но ако някой успее да обърне това уравнение… Можеш ли да кажеш евтина енергия без въглерод?

За разлика от по-малко сложния си братовчед, синтезът не произвежда радиоактивни отпадъци. Цикълът на водородния поток е по-малко проблематичен от цикъла на снабдяване с уран. За да бъдем честни, най-често срещаните източници на водород днес са въглищата и природният газ, но вместо това водородът може да се произведе чрез електролиза.

Разделянето и сливането са еднакви в две отношения. И двете използват превръщането на атоми от един елемент в атоми на друг елемент и и двете са използвани за оръжие. Дебел мъж и малко момче, ядрените бомби паднаха върху Хирошима и Нагасаки през 1945 г., отстъпиха до 1952 г. на термоядрени устройства като Айви Майк. (Въпреки че Айви Майк не е била построена като бомба, скоро тя бе последвана от термоядрени бойни глави с много мегатони, добиващи се от междуконтинентална ракета.)

Термоядрената бомба е била известна като H-бомба по причина: Безпрецедентното освобождаване на енергия идва от сливането на водородни атоми. Изследователите по синтез се опитват да използват този ефект за цивилното производство на електроенергия. Оказва се, че това е предизвикателство. Сливането на водород на повърхността на Земята ще изисква температури над един милион градуса по Целзий. При тези температури водородът и хелийът стават плазма, четвъртата форма на материята.

Но какво, по дяволите, е плазма?

Накратко, плазма е йонизиран газ. В плазмата всички молекулни връзки се разтварят и електроните напускат приемните си атоми. Плазмите са силно проводими, защото имат висока плътност на носителите на заряд, т.е. електроните и йоните са свободни да се движат независимо един от друг в отговор на електрическо поле.

Въпреки че всичко това звучи екзотично, плазмите правят редовни изяви в живота ни. Светлината от мълнии и неонови знаци идва от електрони, които се комбинират с йони и потъват в по-ниски квантови състояния, процес, известен като спонтанна емисия. Някои пламъци са достатъчно горещи, за да йонизират изгорели газове, а плазмените горелки, плазмените екрани и дъгови заваръчни машини използват всички плазми.

Но всички те нямат нищо на плазмата в реактора за синтез. При един милион градуса по Целзий, атомите в ядрената супа са изключително енергични. Ако не се съдържат в тях, те ще излязат, ще повредят апарата и не се сливат един с друг. Без ограничаване, вероятно никога няма да достигнете до един милион градуса.

Задържането е на основно предизвикателство в научните изследвания в областта на термоядрения синтез. Плазмата трябва да се съхранява в затворено пространство и не трябва да се допира до стените на плавателния съд. Излишно е да казваме, че съдът трябва да се държи при висок вакуум. Wendelstein 7-X използва 65 вакуумни помпи, за да задържа налягането при 0.000000001 милибара. Единственото реалистично средство, чрез което да се ограничи един йонизиран газ при адски температури, е да го задържи в магнитно поле. И тук нещата стават наистина трудни.

В продължение на години най-популярната конструкция на термоядрения реактор беше токамакът. В години преди суперкомпютрите да играят шах, разхвърлят хора при Jeopardy и сгънати протеини, учените измислят умни начини за производство на правилно оформеното магнитно поле. В токамак, електрически ток, преминаващ през плазмените двойки с външни електромагнити, за да създаде необходимото магнитно поле.

Не е така в Wendelstein 7-X. Тук защитното поле идва изцяло от външни свръхпроводящи електромагнити. Изследователският екип използва суперкомпютър за оптимизиране на формата на тези магнити и премахване на необходимостта от плазмен ток. Този стил на термоядрен реактор е известен като stellarator.

Досега никой не е изградил реактор за синтез, който генерира повече енергия, отколкото консумира. Дори Wendelstein 7-X, най-големият реактор в света, е построен за изследователски цели, а не за генериране на енергия. Но ако искате да инвестирате надеждите си във фюжън проект, Wendelstein 7-X е добро място за започване. Не забравяйте да следите и ITER, който е най-големият токамак в света.