Основен проблем при експлоатацията на съоръжения за термоядрен синтез, известни като „токамак“, е задържането на плазмата, която подхранва термоядрените реакции без примеси, които биха могли да намалят ефективността ѝ. Сега, учени от лабораторията по физика на плазмата от Прънстън (USPL), която е към Министерството на енергетиката в САЩ (PPPL), откриха, че разпръскването на един вид прах в плазмата може да помогне в използването на свръх горещия газ в съоръжението „токамак“ за производство на топлина и създаване на електричество без производство на парникови газове или дълготрайни радиоактивни отпадъци.
Ядрено сливане, реакцията, която загрява слънцето и звездите, комбинира леки елементи под формата на плазма – горещо, йонизирано състояние на материята, съставено от свободни електрони и атомни ядра – като генерира огромни количества енергия. Учените се стремят да възпроизведат този вид синтез на Земята за почти неизчерпаемо снабдяване с енергия, което може да се използва за генериране на електричество.
„Основната цел на експеримента беше да видим дали можем да положим слой от елемента бор с помощта на прахов инжектор“, казва физикът от PPPL – Робърт Лунсфорд, водещ автор на рубриката, в която се публикуват откритията в сферата на Ядрения синтез. „Засега експериментът изглежда е бил успешен.“
Борът пречи на елемент, известен като волфрам, да излезе от стените на „токамака“, и да охлади плазмените частици, което прави реакциите на синтез по-малко ефективни. Слой бор се нанася върху повърхности, обърнати към плазмата, в процес, известен като „боронизация“. Учените искат да поддържат плазмата възможно най-гореща – поне десет пъти по-гореща от повърхността на Слънцето, за да увеличат максимално реакциите на синтез и от там и излишната топлина, която се използва за създаване на електричество.
Използването на прах за осигуряване на боронизация също е далеч по-безопасно от използването на борен газ, наречен диборан – методът, който се използва днес. „Диборан газът е взривоопасен, така че всички трябва да напуснат сградата, в която се намира „токамакът“, по време на процеса“, обяснява Лунсфорд. „От друга страна, ако можете да пуснете малко бор на прах в плазмата, това би било далеч по-лесно да се управлява. Докато диборановият газ е експлозивен и токсичен, борният прах е инертен“, добавя той. „Тази нова техника би била по-малко инвазивна и определено по-малко опасна.“
Друго предимство е, че докато физиците трябва да спрат операциите на „токамака“ по време на процеса на „боринизация“ с диборан, борният прах може да се добави в плазмата, докато машината работи. Тази функция е важна, тъй като за осигуряване на постоянен източник на електроенергия бъдещите термоядрени инсталации ще трябва да работят дълги и непрекъснати периоди от време. „Това е един от начините да стигнем до стационарна машина за термоядрен синтез“, каза Лунсфорд. „Можете да добавите още бор, без да е необходимо напълно да изключите машината.“
Има и други причини да използвате прахообразен бор за покриване на вътрешните повърхности на „токамак“. Например, изследователите откриха, че инжектирането на бор на прах има същата полза като пускането на азотен газ в плазмата – и двете техники увеличават топлината в плазмата, което увеличава вероятността плазмата да остане затворена в магнитните полета.
Техниката, използваща прахови разпръскватели, също дава на учените лесен начин за създаване на термоядрени плазми с ниска плътност, което е важно, тъй като ниската плътност позволява плазмената нестабилност да бъде потисната от магнитни импулси, което е сравнително прост начин за подобряване на реакциите на синтез. Учените биха могли да използват прах за създаване на плазми с ниска плътност по всяко време, а не да чакат да се постигне, газообразно „боронизиране“. Възможността лесно да се създаде широк спектър от плазмени условия по този начин би позволила на физиците да проучат по-задълбочено поведението на плазмата.
В бъдеще Лунсфорд и другите учени от групата се надяват да проведат експерименти, за да определят къде точно отива материалът, след като е инжектиран в плазмата. Понастоящем физиците предполагат, че прахът отива към горната и долната част на камерата на „токамак“, по същия начин, по който тече плазмата, „но би било полезно тази хипотеза да бъде подкрепена чрез моделиране, така че да знаем точните места в „токамака“, които получават борните слоеве“ – допълва Лунсфорд.
