To nebuvo matę net labiausiai patyrę mokslininkai: spalvų šou atskleidė sintezės reaktoriaus paslaptis

Spalvoti plazmos vaizdai, kuriuos pirmą kartą pavyko užfiksuoti britų bendrovei „Tokamak Energy“, atskleidžia tikrą spalvų spektaklį: kiekvienas atspalvis pasakoja vis kitą istoriją apie plazmoje vykstančius procesus. 

Deuterio dujų injekcija – šis izotopas tarnauja kaip kuras termobranduolinėms reakcijoms – matoma kaip ryški rausva švytėjimo dėmė, atsirandanti viršutiniame kairiajame kadro kampe. Tai tik pradžia įspūdingų stebėjimų.

Įspūdingiausi efektai išryškėja tuomet, kai į plazmos vidų įvedamos mikroskopinės litiu padengtos granulės, dydžiu prilygstančios smėlio grūdeliams. Šios dalelės veikia kaip natūralūs žymekliai, o jų spalva kinta priklausomai nuo sąlygų reaktoriaus viduje. Vėsesniuose, išoriniuose plazmos sluoksniuose jos skleidžia sodrią karmino raudonumo šviesą, o patekusios giliau – į karštesnį ir tankesnį plazmos branduolį – jonizuojasi ir ima švytėti ryškiai gelsvai žalia spalva.

Žalsvos ličio žymės ypač vertingos mokslininkams: jos leidžia vizualizuoti nematomas magnetinio lauko linijas, kurios „laiko“ plazmą, ir atskleidžia jos trajektoriją tokamako viduje. Tai galima palyginti su nematomų „autostradų“ stebėjimu, kuriomis juda materija ekstremaliausiomis sąlygomis Žemėje.

Šie spalvinio vaizdinimo eksperimentai yra dalis daug didesnio projekto LEAPS, kuris vykdomas bendradarbiaujant su JAV Energetikos departamentu ir Jungtinės Karalystės Energetinio saugumo departamentu. 52 mln. JAV dolerių vertės ST40 tokamako modernizavimo programa sutelkta į litinėmis dangomis padengtus visus su plazma besiliečiančius komponentus. 

Šią technologiją sukūrė Prinstono plazmos fizikos laboratorija, o ankstesni bandymai parodė, kad ji žymiai pagerina plazmos našumą. Modernizacija taip pat apima anglies pagrindo apsauginių plytelių keitimą į molibdeną – ugniai itin atsparų metalą, laikomą tinkamesniu būsimoms branduolinės sintezės elektrinėms. Be to, ST40 įdiegiama naujos kartos diagnostinė įranga, leidžianti dar tiksliau matuoti plazmos parametrus.

ST40 yra sferinis tokamakas, pasižymintis stipriausiu magnetiniu lauku pasaulyje. Dėl to jis yra unikali tyrimų platforma, o litio integravimas į šią sistemą turi esminę reikšmę siekiant suprasti technologijas, kurios ateityje leis komercializuoti termobranduolinę energiją.

Naujoji spalvinė kamera yra kur kas daugiau nei tik įspūdinga vizualizavimo priemonė – ji tapo svarbiu diagnostikos elementu, padedančiu kurti pažangius reaktoriaus darbo režimus. Ypač daug vilčių siejama su vadinamaisiais X-point radiator režimais, kurie laikomi perspektyviais būsimosioms sintezės elektrinėms. Jų esmė – atvėsinti plazmą prieš jai pasiekiant reaktoriaus komponentus, taip gerokai sumažinant jų dėvėjimąsi, tačiau nepakenkiant visos sistemos efektyvumui.

Fizikė Laura Zhang pabrėžia praktinę naujosios kameros reikšmę. Pasak jos, spalvinis vaizdinimas leidžia iš karto nustatyti, ar į reaktorių įvedami dujiniai priemaišų srautai spinduliuoja ten, kur tikimasi, ir ar ličio granulės iš tikrųjų pasiekia plazmos branduolį. Toks vizualinis patvirtinimas papildo spektroskopinius matavimus ir suteikia mokslininkams daugiau pasitikėjimo eksperimento eiga.

Dabartiniai darbai gerokai praplečia plazmos elgsenos supratimą, ypač kalbant apie būsimas didesnes sintezės sistemas, turinčias gaminti energiją pramoniniu mastu. Spalvinis vaizdinimas suteikia svarbios informacijos apie tai, kaip skirtingos medžiagos sąveikauja plazmoje, o tai gali būti lemiama projektuojant naujos kartos reaktorius.

Kol kas tai dar tik vienas iš daugelio žingsnių ilgame kelyje įsisavinant energiją, kuri varo žvaigždes. Šis procesas reikalauja ne tik milžiniškos kantrybės, bet ir sveiko skepticizmo kiekvieno naujo „pralaužimo“ atžvilgiu. Vis dėlto tokie įrankiai kaip „Tokamak Energy“ sukurta spalvinė plazmos kamera rodo, kad mokslas pamažu, bet nuosekliai artėja prie praktinės termobranduolinės energijos panaudojimo.