5 Minutės
Kinijos Eksperimentinis pažangus superlaidus tokamakas (EAST), dažnai vadinamas „dirbtine saule“, peržengė esminę termonuklearinės sintezės tyrimų ribą veikdamas už ilgalaikės plazmos tankio ribos. Šį proveržį pranešė Kinijos Plazmos fizikų instituto (Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences) mokslininkai; rezultatai publikuoti žurnale Science Advances. Analizė rodo naujas strategijas, kurios gali padėti kurti aukštesnės veiklos ir didesnės efektyvumo sintezės reaktorius – nuo eksperimentinių įrenginių iki demonstracinių reaktorių ir ateities elektrinių.
Lūžis plazmos tankio riboje: kas pasikeitė
Tokamako prietaise plazmos tankis yra esminis parametras: kuo tankesnė plazma, tuo didesnė tikimybė, kad įvyks teigiami termonuklearinės sintezės procesai ir išsiskirs energija. Tačiau siekis didinti tankį paprastai sukelia stabilumo sutrikimus – plazmos sąlytis su reaktoriaus sienelėmis baigia magnetinę suiminėjimo fazę ir sukelia disrupcijas. Daugelį dešimtmečių eksperimentiškai was pastebėta ribinė elgsena, paprastai siejama su vadinamąja Greenwald riba (Greenwald limit) – empirinė taisyklė, kuri apribojo magnetinio sulaikymo (magnetic confinement) bandymus įvairiuose tokamakuose visame pasaulyje.
EAST tyrėjų grupė kvestionavo prielaidą, kad vien tik absoliutus tankis valdo praktines eksploatacines ribas. Jų rezultatai pabrėžia kitą, iki šiol mažiau pabrėžtą veiksnį – plazmos nešvarumus (impurities), ypač metalinius atomus, kurie išsprogsta iš vidinių sienelių (sputtering) ir patekę į plazmą stipriai keičia ribinės plazmos charakteristikas. Volframas (W), kietas ir dažnai naudojamas medžiaga, montuojant komponentus, kurie susiduria su plazma, buvo nustatytas kaip reikšmingas taršos šaltinis: net nedideli volframo kiekiai gali sukelti šalto radiacinio aušinimo efektą ribinėje zonoje, susilpninti vietinę temperatūrą ir skatinti netikėtas disrupcijas.
Šis poslinkis mintyse – nuo „tankis viską lemia“ prie „nešvarumai riboja realią eksploataciją“ – keičia, kaip interpretuojami ankstesni eksperimentai ir kaip planuojami nauji tyrimai. Greenwald riba lieka naudinga orientacija, tačiau EAST darbai rodo, kad praktinės ribos gali būti ženkliai peržengtos, jei nešvarumų srautai yra efektyviai valdomi ir ribinė plazma orientuojama taip, kad sumažintų sienelės įtaką.
Kaip EAST sumažino nešvarumus ir padidino našumą
Mokslininkai sukūrė naują teorinį aprašą, pavadintą Boundary Plasma-Wall Interaction Self-Organization (PWSO) – ribinės plazmos ir sienelės sąveikos saviorganizacijos modelis. PWSO apibrėžia, kaip plazmos edge (ribinės zonos) parametrų savireguliacija, srautai ir sienelių medžiagų emisija kartu formuoja stabilias arba nestabilių režimų struktūras. Šis požiūris leidžia suprasti ne tik momentines nestabilias kilpas, bet ir ilgesnio laiko skales saviorganizaciją, kuri lemia, ar nešvarumai kaupiasi ribinėje zonoje, ar išstumti iš plazmos, leidžiant palaikyti aukštesnį veikimo tankį.
Pateikę PWSO modelio įžvalgas, komanda pritaikė praktinius pakeitimus EAST paleidimo ir šildymo sekoje. Vienas pagrindinių metodų – elektronų ciklotrono rezonanso šildymas (electron cyclotron resonance heating, ECRH) derinyje su iš anksto įkrauta dujų paleidimo metodika (pre-charged gas startup). Tokia paleidimo schema leidžia formuoti pageidaujamą ribinės plazmos profiliuotę nuo pat įjungimo pradžios: ECRH tiesiogiai skatina šilumą ribinei zonai ir geriau kontroliuoja temperatūrą, o iš anksto užpildyta dujų aplinka mažina sienelių eroziją ir volframo sputtering’ą pradiniame etape. Rezultatas – sumažintas volframo srautas į plazmą ir pagerėjęs ribinės plazmos stabilumas, kas leidžia palaikyti aukštesnį tankį be tradicinių disrupcijų.
Valdant nešvarumų kiekį, EAST pateko į režimą, kurį tyrėjai apibūdina kaip „tankio laisvą zoną“ (density free zone) – tai operacinis langas, kuriame plazma gali pasiekti žymiai aukštesnius tankius, neprovokuodama tradicinėms Greenwald ribai būdingų disrupcijų. Eksperimentiniai duomenys artimai sutapo su PWSO modelio prognozėmis, kas suteikia pasitikėjimo, kad sienelės kilmės nešvarumai, o ne vien absoliutus tankis, dažnai nustato praktines darbo ribas. Tokios išvados turi didelę reikšmę plazmos fizikams ir inžinieriams, nes jos suteikia naują kontrolės kintamąjį – ribinės zonos „švarą“ ir sienelės emisijos mažinimą – kuris gali būti techniškai valdomas per paleidimo sekas, šildymo tvarkas ir sienelių medžiagų bei paviršių apdorojimą.
Kodėl tai svarbu termonuklearinei sintezei ir reaktorių plėtrai
Nešvarumų kontrolė yra praktiškas svirtis ateities tokamakų projektavimui ir eksploatacijai. Jei nešvarumų valdymas patikimai leidžia išplėsti naudingą plazmos tankį, reaktoriai gali generuoti daugiau sintezės įvykių vienetiniame tūryje, kas padidina energijos išsiskyrimą ir bendrą efektyvumą. Tai ypač svarbu kompaktiškiems projektams, kuriuose brangūs superlaidūs magnetai ir ribota tūrio talpa reikalauja optimizuoti naudingą plazmos srautą. Be to, ilgesnės impulsinės arba nuolatinės (long-pulse, steady-state) eksploatacijos režimai, kuriems būtini superlaidūs magnetai ir preciziška sienelių inžinerija, gali pasinaudoti PWSO principu tam, kad sumažintų „nuovargio“ efektus ir sienelių degradaciją per ilgesnį laiką.
Nors komercinė termonuklearinė sintezė vis dar yra ilgalaikis tikslas, tokie rezultatai kaip EAST pasiekimas padeda spręsti nuoseklius, tačiau kritinius inžinerinius uždavinius. PWSO suteikia veiksmingą teorinį pagrindą, iš kurio galima formuoti praktines gairias: sienelių medžiagų pasirinkimą (pvz., mažesnio sputteringo dangos, alternatyvios medžiagos prie plazmos), paleidimo procedūras (ECRH, ICRH, neutral beam injection deriniai) ir aktyvaus plazmos valdymo schemas (aktyvūs išmetimo srautai, dujų papildymai, paviršių apdorojimas). Kitaip tariant, švaresnės ribinės plazmos sritis gali būti tokia pat svarbi kaip stipresni magnetiniai laukai siekiant teigiamo energijos balanso (net-positive fusion energy).
Tyrėjai ir inžinieriai tęsia PWSO modelio tobulinimą bei nešvarumų kontrolės technikų testavimą tiek EAST, tiek kituose eksperimentiniuose plantuose. Tikslas – perkonstruoti laboratorinius proveržius į praktinius projektavimo principus demonstraciniams reaktoriams (DEMO) ir galiausiai elektros jėgainėms. Tai apima eksperimentus su skirtingomis sienelių medžiagomis, paviršių kondicionavimo technikomis (pvz., boravimo deponavimas, plazminis gydymas), bei aktyviais kontrolės algoritmais, integruotais į reaktoriaus valdymo sistemas. Sėkmė šioje srityje gali reikšmingai sumažinti technologinius ir ekonominius barjerus, blokuojančius skalėm plečiamą sintezės energetiką.
Šaltinis: gizmochina
Palikite komentarą