Znajdź zawartość

Naukowcy z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) wykazali, że opracowany przez nich system dostarczania sproszkowanego boru do reaktora fuzyjnego pozwala na bieżąco zabezpieczać ściany reaktora i zapobiegać pogarszaniu właściwości plazmy. Jej stopniowe zanieczyszczania wolframem jest szkodliwe dla całej reakcji i stanowi jedną przeszkód na drodze ku zbudowaniu praktycznego reaktora fuzyjnego. Fuzja jądrowa to szansa na produkcję taniej, czystej i bezpiecznej energii. Wciąż jednak, z powodów licznych trudności technicznych, ludzkość nie potrafi zbudować reaktora fuzyjnego, który wytwarzałby więcej energii niż zostało do niego dostarczone i utrzymywał proces reakcji przez długi czas. W reaktorach fuzyjnych – ich najbardziej rozpowszechnionym rodzajem jest tokamak – coraz częściej stosuje się wolfram. Pierwiastek ten jest bowiem bardzo odporny na wysokie temperatury. Plazma może jednak uszkadzać wolframowe ściany reaktora, co prowadzi do przenikania wolframu do plazmy i jej zanieczyszczenia. Bor chroni wolfram przed negatywnym oddziaływaniem i zapobiega jego przenikaniu do plazmy. Poza tym absorbuje niepożądane pierwiastki, jak np. tlen, które mogą przeniknąć do plazmy z innych źródeł. Pierwiastki te mogą prowadzić do schłodzenia plazmy i przerwania reakcji. Potrzebowaliśmy sposobu na pokrywanie reaktora borem bez konieczności wyłączania pola magnetycznego tokamaka i nasz system to zapewnia, mówi Grant Bodner z PPPL. Eksperymenty prowadzono we W Environment in Steady-State Tokamak (WEST), którego operatorem jest francuska Komisja Energetyki Alternatywnej i Energii Atomowej (CEA). WEST – którego pierwsza litera nazwy pochodzi od symbolu chemicznego wolframu – to jeden z niewielu tokamaków którego ściany są całkowicie wykonane z wolframu. Ponadto jest to urządzenie charakteryzujące się rekordowo długimi czasami utrzymania reakcji. Został on wybrany jako miejsce eksperymentu również dlatego, że jego nadprzewodzące magnesy są zbudowane z materiału, który będzie wykorzystywany do budowy magnesów dla przyszłych reaktorów fuzyjnych. Fuzja jądrowa (reakcja termojądrowa) to proces, który zachodzi na Słońcu. W jej ramach dochodzi do połączenia lżejszych pierwiastków w cięższy, a w procesie tym powstają duże ilości energii. Żeby przeprowadzić fuzję konieczne są bardzo wysokie temperatury. I właśnie te wysokie temperatury to poważny problem. Sięgają one milionów stopni i są zagrożeniem dla materiałów, z których zbudowany jest reaktor. Dlatego też odporny na wysokie temperatury wolfram pokrywa się chroniącym go borem. Jednak wewnątrz reaktora panują ekstremalne warunki i ochronna powłoka ulega zużyciu. Trzeba ją nakładać ponownie. Konieczne było zatem opracowanie sposobu na odtwarzanie powłoki bez konieczności częstego wyłączania reaktora. Wrzucanie boru do pracującego tokamaka jest jak sprzątanie mieszkania bez przerywania codziennych czynności. To bardzo pomocne, oznacza bowiem, że nie potrzebujesz przeznaczać dodatkowego czasu na sprzątanie, obrazowo wyjaśnia Alberto Gallo z CEA. Opracowane przez Amerykanów urządzenie montuje się na górze tokamaka. Wykorzystuje ono precyzyjne aktuatory przesypujące proszek ze zbiorników do komory próżniowej tokamaka. Zastosowany mechanizm pozwala na dokładne ustawienie ilości i tempa wsypywania proszku. Urządzenie jest uniwersalne i może pracować też z innymi materiałami, nie tylko z borem. Przyda się więc też w inaczej zbudowanych reaktorach fuzyjnych. Może być ono bardzo użyteczne w przyszłości, mówi Bodner. Wyniki eksperymentów zaskoczyły samych twórców urządzenia. Okazało się bowiem, że wsypywany bor nie tylko zabezpieczał wolfram. Zauważyliśmy, że gdy wrzucaliśmy proszek, zwiększał się stopień uwięzienia plazmy, dzięki czemu miała ona wyższą temperaturę, a to wspomagało reakcję, dodaje Bodner. Zjawisko to było szczególnie pomocne, gdyż dochodziło do niego bez pojawiania się niekorzystnego trybu pracy H-mode. To stan, w którym ma miejsce znaczny wzrostu uwięzienia plazmy, co grozi niestabilnością plazmy brzegowej (ELMs – Edge Localised Modes). ELMs prowadzą zaś do odprowadzania ciepła poza plazmę, co zmniejsza efektywność całej reakcji i grozi uszkodzeniem elementów reaktora. Możliwość uzyskania tak dobrego uwięzienia plazmy, jak w trybie H-mode, jednak bez wchodzenia w tryb H-mode i ryzyka pojawienia się ELMs, to świetna wiadomość, cieszy się Bodner. W najbliższej przyszłości naukowcy planują eksperymenty, w ramach których chcą sprawdzić, ile z dostarczanego boru rzeczywiście tworzy powłokę ochronną na ścianach reaktora. Wiedza ta pozwoli na zoptymalizowanie pracy systemu dostarczania proszku. Określą też, kiedy należy dosypywać bor. Podkreślają, że ich systemu należy używać tylko, gdy jest to konieczne. Każde dodatkowe zanieczyszczenie, nawet bor, może zmniejszyć efektywność reaktora, gdyż plazma staje się mniej czysta. Dlatego też chcemy określić minimalną ilość boru, jaką musimy dodawać, by uzyskać pożądane efekty, wyjaśnia Bodner. « powrót do artykułu

Naukowcy z University of Manchester zauważyli, że w w grafenownych supersieciach znajdujących się pomiędzy dwoma warstwami azotku boru pojawia się nowa rodzina kwazicząstek. Odkrycie ma znaczenie dla badań nad fizyką materii skondensowanej i może prowadzić do stworzenia tranzystorów pracujących z wyższymi częstotliwościami. Fizycy i specjaliści z dziedziny materiałoznawstwa od kilku lat poszukują sposobu na wykorzystanie sił van der Waalsa działających pomiędzy cienkimi warstwami różnych kryształów do stworzenia materiałów, których właściwościami elektronicznymi można by manipulować bez potrzeby odwoływania się do wzbogacania kryształów atomami innych pierwiastków. Najbardziej znanym przykładem jest jednoatomowa warstwa grafenu zamknięta pomiędzy dwoma jednoatomowymi warstwami heksagonalnego azotku boru (hBN), który ma podobną stałą sieci krystalicznej. Jako, że oba materiały mają podobną heksagonalną strukturę, po nałożeniu ich na siebie pojawiają się regularne wzorce, supersieci. Gdy takie nałożone na siebie warstwy grafenu-azotku boru skręcimy i zmniejszy się kąt pomiędzy sieciami krystalicznymi obu materiałów, zwiększa się rozmiar supersieci. To zaś powoduje pojawienie się pasm wzbronionych (przerw energetycznych). Naukowcy z Manchesteru zauważyli teraz niezwykłe zachowanie się elektronów w takiej strukturze. Dobrze wiemy, że w sytuacji braku pola magnetycznego elektrony poruszają się prosto, a gdy przyłożymy pole magnetyczne, ich trajektorie zaczynają się zaginać, elektrony poruszają się w koło co zmniejsza przewodnictwo. W warstwie grafenu umieszczonej pomiędzy dwiema warstwami hBN trajektorie elektronów również zaczęły się zaginać, ale przy polu magnetycznym o określonej wartości przewodnictwo gwałtownie wzrosło. Tak, jakby elektrony ponownie poruszały się po liniach prostych w metalu bez obecności pola magnetycznego, mówią członkowie zespołu badawczego Julien Barrier i Piranavan Kumaravadivel. To zachowanie całkowicie sprzeczne z tym, co wiemy z podręczników fizyki, zauważa Kumaravadivel. Uczony i jego koledzy uważają, że zaobserwowane zjawisko to efekt pojawienia się nowych kwazicząstek. Te kwazicząstki to fermiony Browna-Zaka, które w strukturze grafen-hBN poruszają się z prędkościami balistycznymi pomimo obecności silnego pola magnetycznego. Fermiony te utrzymują prostą trajektorię poruszania się na przestrzeni dziesiątków mikrometrów w polu magnetycznym dochodzącym do 16 tesli. Odkrycie to oznacza w praktyce, że nośniki ładunków elektrycznych mogą przebyć po linii prostej całą szerokość urządzenia elektronicznego, nie rozpraszając się w przy tym. To zaś daje nadzieję na zbudowanie tranzystorów pracujących przy niezwykle wysokich częstotliwościach. Procesory korzystające z takich tranzystorów mogłyby pracować znacznie szybciej niż obecnie dostępne procesory. Co więcej, odkrywcy nowego zjawiska mówią, że zaobserwowane przez nich fermiony Browna-Zaka powinny pojawiać się w każdej supersieci, nie tylko grafenowej. To zaś ułatwi badanie nad zjawiskiem transportu elektronowego oraz nowymi supersieciami 2D tworzonymi przez inne materiały niż grafen. « powrót do artykułu