Бъдещето е в термоядрения синтез

Над 100 учени от 15 държави се включват в Международната школа по вакуумни, електронни и йонни технологии (VEIT), която се проведе в Созопол. Чуждестранните участници са от Англия, Белгия, Германия, Естония, Полша, Румъния, Словакия, Словения, Сърбия, Украйна, Франция, Холандия, Чехия и Япония. В школата се включиха и 30 студенти.
Форумът е организиран от Института по електроника на БАН, който тази година чества 60-ата си годишнина.
Съорганизатор е Холандският институт за фундаментални изследвания в енергетиката, Айндховен.
Международната школа VEIT се провежда редовно на всеки две години от 1978 г. и е сред най-престижните научни конференции по темата в света. Програмата включва пет лекции в областта на физиката на тънките слоеве и материали с различни приложения, както и използваните технологии за тяхното получаване. В рамките на форума бяха изнесени и 20 лекции с приложен характер от изтъкнати световни и млади учени, в които се докладват различни новости в тази област. Например за различните приложения на лазерите, нови материали за фотоволтаици, които се опитват да изключат като материал оловото и пак да има сравнително добро съотношение между произведената и вложената за стартирането на процеса енергия, за недостатъците на литиевите батерии, които не могат да се обработват, след като се използват за електрическите автомобили. Проведени са и три постерни сесии с общ брой на постерите 63.

Доцент Миглена Димитрова от Института по електроника – БАН е един от участниците в Международната школа и неин председател от седем издания. Тя от години се занимава със сондова диагностика на плазмата– типична експериментална диагностика, с която може да се определят основни параметри на даден газов разряд и средата, в която се отлагат слоеве, като температура, концентрация на електрони. Това позволява да се получи информация за условията, при които става отлагането. Намирането на оптималните условия е важно, за да могат да се повтарят експериментите и получените научни резултати и да се използват в различни технологични приложения, като например нов тип чипове или специални нови материали.

Вакуумната среда има такива условия, в които може да се произведат тънък или свръхпроводящ слой – т.е. някакъв материал, който да прояви различни свойства и след това да има някаква приложимост. Чиповете за телефоните, за компютрите се произвеждат във вакуум – изтегля се въздухът и се вкарва газ, който е подходящ за конкретно приложение. Обикновено се прави различен газов разряд и през него трябва да протече някакъв ток. Когато се подаде напрежение на такъв газов разряд, започва да се създава т.нар. плазма – атомите вече не са самостоятелни единици, от тях се отделят електрони и остават йони – електрически заредени частици. Така газът става електрически проводящ – това във физиката се нарича плазма, пояснява ученият. Вакуумната среда и електрическият ток може да се прилагат за различни технологии. Освен за получаване на чипове взаимодействието на плазмата с различни вещества може да допринесе за модифициране на даден материал, за да му се придадат по-интересни свойства, които да се използват в бъдеще. Например свръхпроводящите слоеве са от специален материал, който е създаден така, че поставен при ниска температура, съпротивлението на самия материал пада и той проявява нови свойства, каквито не би имал при стайна температура.
Свръхпроводниците могат да се използват по най-различни начини Например, ако се направи кабел от свръхпроводящ материал и върху него се сложи влакче, то ще може да лети, движейки се благодарение на свойствата на свръхпроводника. Всъщност влакчето се движи върху линията, направена от свръхпроводящ материал, но няма контакт с него заради свойствата на въпросния материал.

Доц. Миглена Димитрова от години работи с вакуумно устройство. Въздухът се изтегля от вакуумната камера при много ниски налягания, впръсква се малко количество водород, който е най-лекият елемент от Периодичната таблица. Формата на вакуумната камера прилича на донът (поничка) и се казва токамак.
„Ако успеем да слеем две ядра на водорода, се получава огромно количество енергия – обяснява доц. Димитрова. – Това не е толкова лесно да се случи на земята заради налягането. Трябва да намерим начин да загреем този газ. И докато вътре в камерата тече някакъв газ, с помощта на магнити се индуцира плазма. Сондите са разположени покрай стените, с които плазмата взаимодейства. Тази област от вакуумната камера не е в директен контакт с горещата плазма и може да бъде изследвана, без да разтопи този тип устройство за контактна диагностика.

И тогава мога да пресметна какви ще са топлинните потоци – т.е. дали ще разтопят материала. Важни характеристики също така са температурата и концентрацията на електроните, необходими за много моделни пресмятания.
Друго предимство на магнитите е, че помагат да задържат тази плазма далеч от стените. Този физически процес е точно обратното на съвременните ни електроцентрали. Те работят на принципа на делене на тежки ядра – когато се раздели едно тежко ядро на две, се отделя енергия. Но при сливането на ядра тази енергия е много повече, при това получена с много по-малко количество газ. Бих казала, че почти няма и радиоактивност, защото само един от елементите му има малка радиоактивност с период на полуразпад 13 години. И са много по-екологични спрямо съвременните електроцентрали.“

Откъде може да се достави горивото? Това е една от съставките на водата. От океана лесно се извлича водород, като е необходимо много малко количество, за да работи един токамак. Голямата инвестиция е изграждането на машината, защото е много сложна от инженерна гледна точка.
Досега в тази насока има само експериментални реактори, като се знае името на първия реактор – „Демо“, подчертава ученият. Но още не се знае кога ще почне неговото изграждане, защото в тези машини има още непроучени физични процеси, които учените се опитват да обяснят, за да може да контролират процеса.

Този тип машина за термоядрен синтез изобщо не е опасен, защото в момента, в който ѝ се спре газът, тя спира да работи.
Може да спре и от само себе си. Например, когато плазмата отиде към стените, оттам се отделя материал – най-често метални атоми, и край – машината спира да работи. Това се нарича „замърсяване“ на плазмата, но няма избухване като при стария тип реактори, които са с уран.
Доц. Димитрова повече от 10 години работи по тази тема. Занимава се с диагностика на чешкия токамак, който се казва „Компас“.
„Международният термоядрен експериментален реактор ИТЕР в Южна Франция трябва да започне да оперира през 2028 г. Това е последният експериментален реактор – казва тя. – Бях там преди 4 години, машината е невероятна: огромна конструкция с много защити, бетонен корпус.
Вътре в самата гореща плазма има още процеси, които засега нямат физическо
обяснение. Появяват се разни вълни, за които не знаем защо възникват. Иначе ги регистрираме с различни диагностики. Опитваме се да интерпретираме резултатите.
Всички тези изследвания са по програма „Еврофюжън“, която е към Европейската комисия. Такава машина има в Германия (ASDEX-U), най-голямата е в Англия (JET), във Франция (WEST) също има действащ експериментален токамак. Екипи от хиляди учени се опитват да разгадаят физиката в тези устройства, за да може да си изяснят всички процеси. И ако има индикация, че машината трябва да се спре, да бъде спряна. Макар че най-голямата възможна повреда е да се разтопи вътрешната стена – подчертава доц. Димитрова. – Но това би довело до продължително затваряне за ремонт поне за половин година.
Тази машина може да работи в различни режими – синтез се получава само когато премине в едно друго състояние (H-mode), където вече плазмата е ограничена силно в центъра, а покрай стените е доста по-хладна. Цялата енергия е концентрирана в центъра, където ускорените водородни ядра преодоляват силите на отблъскване и успяват да се слеят, като се образува вторият елемент от Периодичната система – хелий. Тогава има силно нагряване и започват процесите на синтез, на сливане на водородни ядра. Полученият хелий е безвреден и дори може да се използва за други приложения, като се изпомпа и се отдели от токамака. Тръгне ли веднъж реакцията, тя се самоподдържа и може да работи дълго без проблем. Енергията ще излиза през стените, най-вероятно посредством затоплена вода, после ще бъде отвеждана през турбини и генератор.“