Наука и технологии России

Вход Регистрация

«Топливо в виде атомов недостаточно эффективно»

Учёные из Новосибирска и Германии изучают возможность получения нового топлива из ядерно-поляризованных частиц (преимущественно дейтерия), способного повысить эффективность работы термоядерных реакторов 1,5 раза, сообщает издание СО РАН «Наука в Сибири». Они объединили усилия в рамках проекта «К молекулярному источнику поляризованного дейтериевого топлива для исследований ядерного синтеза и других применений», получившего совместный грант Российского научного фонда и Немецкого физического общества.

В Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ITER) в качестве основной используется реакция слияния 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.

Дмитрий_Топорков Дмитрий Топорков с коллегой из Германии. Фото: ИЯФ СО РАН

«Как уголь: бывает с высокой зольностью и низкой. Плохо, если после прогорания остаётся 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 Топорков. Связано это с тем, что ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих частиц. Применив поляризованное топливо, можно получить такие частицы с суммарным спином 3/2, что повысит эффективность использования топлива в 1,5 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 создаётся 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 Топорков.

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».

Вопрос, ответ на который учёным предстоит найти в ходе совместного проекта: как сохранить поляризацию молекул? Немецкие учёные создали Lamb-shift поляриметр, установку, с помощью которой можно анализировать ядерную поляризацию как атомов, так и молекул. «Наши партнёры готовы сделать большую часть поляриметра, мы, в свою очередь, также внесём вклад в устройство и применим его для исследования поляризации молекул из нашего источника», – комментирует Дмитрий Топорков.

В перспективе исследователи намерены выяснить, долго ли сохраняется поляризация и возможно ли компрессировать молекулы. Не исключено, что поляризованные молекулы в замороженном виде (как таблетки льда), станут топливом для установок, работающих на основе лазерного синтеза, токамак-реакторов или в качестве поляризованной мишени высокой плотности для различных физических экспериментов.

Автор: Елена Ситникова

РЕЙТИНГ

3.00
голосов: 2

Обсуждение