Russische natuurkundigen van het A. F. Ioffe Physicotechnical Institute in St. Petersburg beschreven ionische processen van warmteoverdracht in een sferische tokamak. De resultaten van de studie, die wetenschappers een stap dichter bij het oplossen van het probleem van thermonucleaire fusie brengt, worden gepubliceerd in het tijdschrift Plasma Physics and Controlled Fusion.
Als wetenschappers erin slagen het idee van gecontroleerde thermonucleaire fusie te realiseren, zal de mensheid een bijna onuitputtelijke energiebron ontvangen. Fusie-energiecentrales worden erkend als veilig en milieuvriendelijk: in vergelijking met kerncentrales hebben ze geen explosieve reacties, en in tegenstelling tot de verbranding van koolwaterstoffen, zijn er geen emissies van kooldioxide en stikstofoxiden die bijdragen aan de opwarming van de aarde en het milieu vervuilen. Bovendien kunnen neutronen verkregen uit thermonucleaire fusie radioactief afval in kerncentrales vernietigen.
Experimenten met thermonucleaire fusie worden over de hele wereld uitgevoerd in speciale installaties - tokamaks, waarin een gas van lichte elementen - waterstof, deuterium en tritium - wordt verwarmd tot een temperatuur van 100 miljoen graden, waardoor het mogelijk wordt een plasma te vormen - een gas van geladen deeltjes: ionen en elektronen. De verwarmde plasma-ionen botsen met elkaar op dezelfde manier als in het binnenste van de zon. In dit geval worden heliumkernen gevormd en worden neutronen vrijgegeven, en de neutronenenergie, die de kosten van verwarming van het plasma overschrijdt, kan worden gebruikt in de industrie en energietechniek.
De belangrijkste taak van natuurkundigen is om te leren hoe ze plasma relatief lang in thermonucleaire installaties kunnen houden met behulp van een sterk magnetisch veld. En daarvoor moet je niet alleen weten welke processen er in dit plasma plaatsvinden, maar ook hun wiskundige beschrijving hebben om ze te kunnen beheersen. Daarnaast is kennis van ionische processen in plasma nodig voor het ontwerp van grote installaties zoals de internationale experimentele thermonucleaire reactor ITER.
Het AF Ioffe Physicotechnical Institute heeft een unieke experimentele thermonucleaire installatie - de Globus-M sferische tokamak, ontworpen om het gedrag van plasma onder laboratoriumomstandigheden te bestuderen, en niet in reactormodus.
De staf van het Instituut onderzocht en beschreef het proces van ionische warmte-uitwisseling in het plasma van de Globus-M tokamak. Dit werk werd ondersteund door een subsidie van het presidentiële programma van onderzoeksprojecten van de Russian Science Foundation (RSF).
“We hebben bevestigd dat de eigenaardigheden van de fysische processen in het plasma van de Globus-M sferische tokamak het optreden van extra warmteverliezen via het ionenkanaal als gevolg van plasmaturbulentie voorkomen. Dit betekent dat een installatie van dit type een goede basis is voor het creëren van een compacte bron van thermonucleaire neutronen”, citeert het hoofd van het onderzoek, kandidaat voor fysische en wiskundige wetenschappen Gleb Kurskiev in het persbericht van de Russian Science Foundation.
Hoe beter de verwarming van het plasma, hoe efficiënter de fusie is, en dit vereist een sterk magnetisch veld en een elektrische stroom die door het plasma vloeit. Integendeel, de turbulentie van plasma-ionen interfereert met efficiënte verwarming: in plaats van nuttige botsingen, buigen ionen af en verlaten ze het plasma, wat de thermische isolatie schendt. In hun werk hebben wetenschappers de mate van warmteoverdracht in de Globus-M sferische tokamak beoordeeld.
Promotie video:
“Het experimenteel bewezen model voor het berekenen van de parameters van plasmawarmte stelt ons in staat een compacte bron van hoogenergetische neutronen te ontwerpen die gebruikt kan worden voor splijting van zware kernen. In het proces kan ook energie worden gewonnen. Ons onderzoek zal de ontwikkeling en implementatie van efficiëntere nucleaire systemen aanzienlijk versnellen door gebruik te maken van zowel fusie- als splijtingsprocessen”, legt Gleb Kurskiyev uit.
Het onderzoek van de wetenschappers vormt een aanvulling op de fundamentele kennis die is opgedaan tijdens experimenten met vergelijkbare Europese en Amerikaanse installaties. Door de resultaten van experimenten te combineren, zal het in de toekomst mogelijk zijn om een geavanceerder apparaat voor kernfusiereacties te ontwerpen, zeggen wetenschappers.
