«Топливо в виде атомов недостаточно эффективно»
Российские и немецкие учёные изучают возможность получения топлива для термоядерных реакторов из поляризованных молекул
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.
«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.
Далее о топливе из поляризованных молекул читайте здесь