Споменете енергията на термоядрения синтез и хората наоколо ще си помислят за пробивите, случващи се в Принстънската лаборатория по физика на плазмата (PPPL) при сливането — комбинирането — на ядрата на водородните изотопи. Но има и други видове термоядрена мощност, включително един дълъг изстрел, който току-що получи голям тласък от Агенцията за напреднали изследователски проекти на Министерството на енергетиката - Енергия (ARPA-E).
<статия>Нат Фиш (вторият вляво) и неговият изследователски екип преследват синтез на протон-бор11, който Фиш нарича „свещения граал на наистина чиста, наистина изобилна термоядрена енергия“. Екипът на Фиш включва двама постдокторанти, Иън Окс (вдясно) и Илайджа Колмес (в средата), и двамата доктори от 2022 г. възпитаници на Принстън и двама аспиранти, Михаил Млодик (вторият вдясно) и Тал Рубин (вляво).
Снимка от Денис Епълуайт, Служба по комуникацииДръзкият изследователски проект изследва „свещения граал“ на чистата термоядрена енергия, каза Нат Фиш, професор по астрофизични науки в Принстънския университет и главен изследовател на новия проект . За разлика от синтеза на деутерий-тритий (DT), преследван от десетилетия, той и неговият екип искат да използват реакцията на синтез на протон с йон бор-11 (pB11).
„Разбира се, най-лесната реакция на синтез досега е DT“, каза Фиш, който също е директор на програмата по физика на плазмата в университета и асоцииран директор по академичните въпроси в PPPL. „Достатъчно трудно е, но все пак най-разумният подход за следване и ме научиха в училище, че реакцията pB11 не може да бъде практична. И все пак pB11 е свещеният граал на наистина чиста, наистина изобилна термоядрена енергия.
Емили Картър, която наскоро беше назначена за старши стратегически съветник по науката за устойчивостта в PPPL, каза: „Тядрената енергия има потенциала да осигури стабилно електричество, което да захранва света без прекъсванията и изискванията за земя на слънчевите и вятърните паркове и следователно си заслужава нашата инвестиция.“ Картър е и професор Герхард Р. Андлингер в Принстън по енергетика и околна среда, както и професор по машинно и аерокосмическо инженерство, Център за енергия и околна среда Андлингер и приложна и изчислителна математика.
Фиш наскоро получи информация, че неговият екип ще получи 1,5 милиона долара от програмата ARPA-E OPEN 2021, която дава приоритет на финансирането на технологии, които поддържат нови подходи към предизвикателствата за чиста енергия.
При обявяването на избраните проекти ARPA-E, министърът на енергетиката на САЩ Дженифър Гранхолм каза: „Университетите, компаниите и нашите национални лаборатории удвояват напредъка в иновациите в технологиите за чиста енергия и производството в Америка, за да предоставят критични енергийни решения от възобновяеми източници до термоядрен синтез енергия за справяне с климатичната криза.“
Има огромна налична енергия в трансформиращите елементи: в случай на ядрено делене чрез разделяне на тежки ядра, в случай на синтез чрез комбиниране на леки ядра, ядрена реакция, която не носи рискове от делене. „За да запазим климата на нашата планета, са необходими източници на енергия без въглерод, като термоядрен синтез“, каза Фиш. „Енергията на термоядрения синтез предлага предимства пред деленето“, продължи той, „не само поради неизчерпаемото си снабдяване с гориво, но и защото избягва рисковете от аварии на реактори, разпространение на ядрени оръжия или дълготрайни ядрени отпадъци.“
Световните усилия са съсредоточени върху най-лесната реакция на синтез, използвайки две форми на водород: деутерий и тритий. Водещият подход за овладяване на енергията от тази реакция е токамак, устройство с форма на поничка, което ограничава реакцията чрез големи магнитни полета. Лабораторията по физика на плазмата в Принстън е световен лидер в този подход.
Различен вид термоядрена реакция
Проектът Принстън, наскоро финансиран от ARPA-E, „Икономичен синтез на протон-бор11“, не е просто вариант на DT синтез, но вместо това използва изцяло различен синтез реакция, сливаща заедно протон (ядрото на водороден атом) и ядро бор-11 (пет протона и шест неутрона). И двата вида реакции на синтез освобождават огромна енергия, но реакцията протон-бор11 (pB11) изисква много, много по-висока температура от реакцията DT.
„Реакцията на DT вече е колосално предизвикателство, изискващо стотици милиони градуси, така че реакция, изискваща още по-високи температури, се счита почти за невъзможна“, каза Фиш. „Освен това, дори тези температури да могат да бъдат постигнати, при такива високи температури електроните произвеждат рентгенови лъчи, които отнасят повече енергия от енергията, произведена в реакцията на синтез. Следователно, поради основателни причини, реакцията pB11 е отхвърлена като реална възможност за икономична мощност на синтез.
„Но въпреки тези предизвикателства“, каза Фиш, „реакцията pB11 е изкушаваща.“ Сред другите предимства, както протоните, така и бор-11 са лесно достъпни, естествено и евтино. „Единственият проблем е, че предизвикателствата са непреодолими ", каза Фиш. "Или те са?"
Неговият екип предлага задържане на протоните и бора при различни температури и най-вече на различни места, което би ограничило загубата на топлина към околната среда, като същевременно увеличи максимално реактивността на синтеза. Ключът: възползвайте се от голямото несъответствие в масата между протоните и бора, като завихряте енергично плазмата, така че по-леките протони да се намират предимно в много по-горещ регион, докато по-тежките борни йони се намират в по-студен регион.
„Нашите идеи по този въпрос са наистина далечни“, каза Фиш. „Но докато не нарушаваме никакви фундаментални закони на термодинамиката – а ние ще се доближим много до това! — Смятам, че имаме задължението да проучим напълно възходящия потенциал на сливането на pB11. Нашето предложение е чисто теоретично, така че не изисква големи ресурси, свързани с експерименти. Въпреки това, ако нашите идеи проработят, може би малко вероятно, но фантастично, ако се осъществят, ще имаме нужда от партньори, които да ни помогнат да се ориентираме в ключовите несигурности експериментално.“
Той продължи: „Но дори преди да изградим експерименти, ще имаме нужда от партньори, вероятно извън нашата специалност физика на плазмата, които да помогнат за напредъка на нашата концепция. Има нови, интердисциплинарни, инженерни съображения, които трябва да бъдат изправени при сливането на pB11. Например, за да разрешим важния проблем с ефективното рециркулиране на енергията, загубена като рентгенови лъчи, ние се надяваме да се възползваме от опита на физици и инженери в различни университети отдели, в допълнение към експертизата по физика на плазмата, открита в PPPL.
Екипът на Фиш в момента включва двама докторанти, Иън Окс и Илайджа Колмес, и двама студенти, Михаил Млодик и Тал Рубин. Ochs и Kolmes са 2022 Ph.D. завършва Принстън със степен по астрофизични науки. Техните дисертации, и двете контролирани от Фиш, бяха по теми, привидно далечни от проекта pB11, но предоставящи някои от ключовите му теоретични основи.
„Проблемът pB11 ни отвежда до редица фундаментални въпроси от физиката, като същевременно ни предизвиква да решаваме практически пъзели с голям потенциал“, каза Колмес, който също е завършил бакалавърска степен по физика в Принстън през 2015 г. „Независимо дали успеем или не, със сигурност ще се забавляваме, откривайки интересни неща. Освен това екипът е приятен за работа. Това е много приятелска среда за сътрудничество.“
Окс, който беше стипендиант на Jacobus, най-високото отличие на Принстън за дипломиран студент, се съгласи: „Това е екип, който работи заедно наистина добре в продължение на много години. Дори когато трябваше да преминем от събиране около черната дъска към събиране над Zoom, никога не губехме тясното чувство за сътрудничество и подкрепа, което ни позволи да комбинираме уникалния набор от умения и база от знания на всеки човек, за да се справим с трудни и сложни проблеми. Този дух на работа в екип е илюстриран в големия брой публикации в съавторство, произведени от групата. Ние сме изключително развълнувани да използваме тази стабилна основа, за да се справим с едно от най-големите предизвикателства в изследванията на термоядрения синтез: наистина чиста, неутронна енергия на термоядрения синтез.“
Това изследване е подкрепено от Агенцията за напреднали изследователски проекти-Енергия (ARPA-E), която развива енергийни технологии с висок потенциал и силно въздействие, разработвайки изцяло нови начини за генериране, съхранение и използване на енергия. Проектите за научноизследователска и развойна дейност OPEN 2021 имат за цел да разработят революционни технологии за укрепване на напредналото енергийно предприятие на нацията.
