Bliżej fuzji jądrowej. Padł rekord utrzymania wysokotemperaturowej plazmy w tokamaku
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy od dziesięcioleci zastanawiają się, co się stało z polem magnetycznym Księżyca. Na jego istnienie w przeszłości wskazują bowiem przywiezione ze Srebrnego Globu próbki skał, wskazujące, że w przeszłości były one poddane działaniu silnego pola magnetycznego. Zaś obecnie Księżyc nie posiada globalnego pola magnetycznego. Co się więc stało z polem zarejestrowanym w skałach? Naukowcy z MIT uważają, że rozwiązali tę zagadkę.
Na łamach Science Advances opisali wyniki badań, w ramach których symulowali uderzenie w Księżyc dużego obiektu, jak asteroida. Symulacje wykazały, że w wyniku takiego zdarzenia mogła pojawić się chmura plazmy, która na krótko objęła Księżyc. Plazma taka przepłynęłaby wokół ziemskiego satelity i zgromadziła się po przeciwnej stronie do miejsca uderzania. Tam weszłaby w interakcje ze słabym polem magnetycznym Księżyca, na krótko je wzmacniając. Skały znajdujące się w miejscu nagromadzenia plazmy, zarejestrowałby ten magnetyzm.
Taka sekwencja wydarzeń wyjaśnia obecność wysoce namagnetyzowanych skał w regionie w pobliżu bieguna południowego, po niewidocznej z Ziemi stronie Księżyca. Zaś dokładnie po przeciwnej stronie od tego obszaru znajduje się Mare Imbrium, jeden z największych kraterów uderzeniowych. Badacze uważają, że to, co go utworzyło, doprowadziło też do powstania plazmy z ich symulacji.
Zagadkową obecność na Księżycu skał z zapisem silnego pola magnetycznego zauważono w latach 60. i 70. gdy misje Apollo przywiozły próbki. Pozostałości magnetyzmu, szczególnie po niewidocznej stronie Srebrnego Globu, potwierdziły też satelity. Jedna z hipotez mówi, że w przeszłości niewielkie jądro Księżyca generowało słabe pole magnetyczne. Jednak nie wyjaśnia ona, dlaczego w skałach, i to głównie po jednej stronie, pozostał zapis tak silnego magnetyzmu. Alternatywna hipoteza mówi o wielkim uderzeniu, w wyniku którego powstała chmura plazmy.
W 2020 roku współautorzy obecnych badań, Rona Oran i Benjamin Weiss, sprawdzili, czy takie uderzenie mogło na tyle wzmocnić słoneczne pole magnetyczne wokół Księżyca, by pozostał zapis w skałach. Okazało się, że nie mogło, co wydawało się wykluczać ten scenariusz.
Na potrzeby obecnych badań uczeni przyjęli inne kryteria. Założyli, że Księżyc posiadał w przeszłości dynamo magnetyczne. Biorąc pod uwagę rozmiary księżycowego jądra pole to musiało być słabe. Oszacowano je na 1 mikroteslę, czyli 50-krotnie mniej niż pole magnetyczne Ziemi. Następnie za pomocą jednego narzędzia przeprowadzili symulację uderzenia oraz powstałej plazmy, drugie zaś narzędzie pokazało, w jaki sposób taka plazma by się przemieszczała i wchodziła w interakcje z polem magnetycznym Księżyca. Wynika z nich, że doszłoby do utworzenia się i przepływu plazmy oraz wzmocnienia pola magnetycznego, ale byłby to proces bardzo szybki. Od momentu wzmocnienia pola do chwili jego powrotu do wartości początkowej minęłoby zaledwie 40 minut.
Postało więc pytanie, czy tak krótkie oddziaływanie pola pozostawiłoby zapis w skałach. Okazuje się, że tak, za pomocą dodatkowego zjawiska. Z badań wynika, że tak duże uderzenie, jakie utworzyło Mare Imbrium, spowodowałoby powstanie fali uderzeniowej, która skupiłaby się po przeciwnej stronie i doprowadziłaby do tymczasowego zaburzenia elektronów w skałach.
Naukowcy podejrzewają, że do zaburzenia tego doszło w momencie, gdy plazma wzmocniła pole magnetyczne. Gdy więc elektrony wróciły do stanu równowagi, ich spiny przyjęły orientację zgodną z chwilowo silnym polem magnetycznym. Jeśli rzucisz w powietrze w polu magnetycznym talię kart i każda z kart będzie wyposażone w igłę od kompasu, to gdy karty upadną na ziemię, będą zorientowane w inną stronę, niż przed wyrzuceniem. Tak właśnie działa ten proces, wyjaśnia obrazowo Weiss.
Źródło: Impact plasma amplification of the ancient lunar dynamo
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Fuzja jądrowa to obietnica czystego, bezpiecznego i praktycznie nieskończonego źródła energii. Badania nad nią trwają od dziesięcioleci i nic nie wskazuje na to, byśmy w najbliższym czasie mogli zastosować ją w praktyce. Naukowcy dokonują powolnych, mniejszych lub większych, kroków na przód w kierunku jej opanowania. Uczeni z University of Texas, Los Alamos National Laboratory i Type One Energy Group rozwiązali właśnie poważny problem, który od 70 lat nękał jeden z rodzajów reaktorów fuzyjnych – stellaratory – spowalniając prace nad nimi. Jego rozwiązanie przyda się również w udoskonaleniu tokamaków, innego – znacznie bardziej popularnego – projektu reaktora fuzyjnego.
Jednym z poważnych wyzwań stojących przed wykorzystaniem w praktyce fuzji jądrowej jest utrzymanie wysokoenergetycznych cząstek wewnątrz reaktora. Gdy takie wysokoenergetyczne cząstki alfa wyciekają, uniemożliwia to uzyskanie wystarczająco gorącej i gęstej plazmy, niezbędnej do podtrzymania reakcji. Inżynierowie opracowali złożone metody zapobiegania wyciekom za pomocą pól magnetycznych, jednak w polach takich występują luki, a przewidzenie ich lokalizacji i zapobieżenie im wymaga olbrzymich mocy obliczeniowych i wiele czasu.
Na łamach Physical Review Letters ukazał się artykuł, w którym wspomniani wcześniej naukowcy informują o opracowaniu metody 10-krotnie szybszego przewidywania miejsc pojawiania się luk, bez poświęcania dokładności.
Rozwiązaliśmy problem, który był nierozwiązany od 70 lat. Będzie to znaczący przełom w sposobie projektowania reaktorów, mówi profesor Josh Burry z University of Texas. W stellaratorach wykorzystywany jest układ cewek, za pomocą których generowane są pola magnetyczne. Nazywany jest on „magnetyczną butelką”. Miejsca występowania dziur w magnetycznej butelce można precyzyjnie przewidywać korzystając z zasad dynamiki Newtona. Jednak działanie takie wymaga olbrzymich ilości czasu i wielkich mocy obliczeniowych. Co więcej, by zaprojektować stellarator idealny konieczna byłaby symulacja setek tysięcy różnych projektów i stopniowe dostosowywanie do każdego z nich układu magnetycznej butelki.
By więc oszczędzić czas i pieniądze podczas obliczeń standardowo używa się teorii perturbacji, która daje wyniki przybliżone. Są one jednak znacznie mniej dokładne. Autorzy najnowszych badań podeszli do problemu w inny sposób, wykorzystując teorię symetrii.
Obecnie nie ma innego niż nasz teoretycznego sposobu na rozwiązanie kwestii uwięzienia cząstek alfa. Bezpośrednie zastosowanie zasad dynamiki Newtona jest zbyt kosztowne, a teoria perturbacji związana jest z poważnymi błędami. Nasza teoria jest pierwszą, która radzi sobie z tymi ograniczeniami, dodaje Burry.
Co więcej, nowa praca może pomóc też w rozwiązaniu podobnego, ale innego problemu występującego w tokamakach. W nich z kolei problemem są wysokoenergetyczne elektrony, które dziurawią osłony reaktora. Nowa metoda może pozwolić na zidentyfikowanie luk w polach magnetycznych, przez które elektrony wyciekają.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Przed dziewięcioma dniami, 12 lutego, tokamak WEST z francuskiego centrum badawczego Cadarache utrzymał plazmę przez 1337 sekund, bijąc w ten sposób niedawny chiński rekord 1066 sekund. Ostatecznym celem tego typu badań jest opracowanie metod długotrwałego utrzymania plazmy oraz stworzenie materiałów zdolnych wytrzymania niezwykle wysokich temperatur i dawek promieniowania.
Badacze z CEA (Komisja energii atomowej), do którego należy Cadarache zapowiadają, że w najbliższych miesiącach znacząco zwiększą zarówno czas utrzymania plazmy, jak i jej temperaturę. Podczas rekordowego eksperymentu plazma w tokamaku była grzana falami radiowymi z pojedynczej anteny o mocy 2 MW. Badacze postawili sobie ambitny cel. Chcą zwiększyć moc grzewczą do 10 MW, wciąż utrzymując plazmę przez ponad 1000 sekund. Jeśli im się uda, będzie to odpowiadało uzyskaniu mocy rzędu gigawatów w dużych reaktorach, takich jak ITER. A to z kolei pozwoli sprawdzić żywotność wolframowych elementów wystawionych na oddziaływanie plazmy w tak ekstremalnych warunkach. Francuscy eksperci wchodzą w skład wielu zespołów pracujących nad opanowaniem fuzji jądrowej. Można ich spotkać przy projektach JT-60SA w Japonii, EAST w Chinach, KSTAR w Korei Południowej oraz, oczywiście, ITER.
Badania prowadzone we wspomnianych tutaj urządzeniach maja na celu opanowanie fuzji jądrowej i zapewnienie nam w przyszłości niezbędnej energii. Fuzja jądrowa – czyli reakcja termojądrowa – to obiecujące źródło energii. Polega ona na łączeniu się atomów lżejszych pierwiastków w cięższe i uwalnianiu energii. To proces, który zasila gwiazdy. Taki sposób produkcji energii na bardzo wiele zalet. Nie dochodzi tutaj do uwalniania gazów cieplarnianych. Na Ziemi są olbrzymie zasoby i wody i litu, z których można pozyskać paliwo do fuzji jądrowej, deuter i tryt. Wystarczą one na miliony lat produkcji energii. Takiego luksusu nie mamy ani jeśli chodzi o węgiel czy gaz ziemny, ani o uran do elektrowni atomowych. Tego ostatniego wystarczy jeszcze na od 90 (według World Nuclear Association) do ponad 135 lat (wg. Agencji Energii Atomowej). Fuzja jądrowa jest niezwykle wydajna. Proces łączenia atomów może zapewnić nawet 4 miliony razy więcej energii niż reakcje chemiczne, takie jak spalanie węgla czy gazu i cztery razy więcej energii niż wykorzystywane w elektrowniach atomowych procesy rozpadu atomów.
Co ważne, w wyniku fuzji jądrowej nie powstają długotrwałe wysoko radioaktywne odpady. Te, które powstają są na tyle mało radioaktywne, że można by je ponownie wykorzystać lub poddać recyklingowi po nie więcej niż 100 latach. Nie istnieje też ryzyko proliferacji broni jądrowej, gdyż w procesie fuzji nie używa się materiałów rozszczepialnych, a radioaktywny tryt nie nadaje się do produkcji broni. Nie ma też ryzyka wystąpienia podobnych awarii jak w Czernobylu czy Fukushimie. Jednak fuzja jądrowa to bardzo delikatny proces, który musi przebiegać w ściśle określonych warunkach. Każde ich zakłócenie powoduje, że plazma ulega schłodzeniu w ciągu kilku sekund i reakcja się zatrzymuje.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.