Британцы разработают собственную термоядерную электростанцию
Великобритания приступит к проектированию термоядерной электростанции на основе компактного сферического токамака. Правительство страны выделило деньги на реализацию концепта, который планируется завершить к 2024 году. За это время планируется проведение научных исследований, изготовление прототипов компонентов и создание оборудования для испытаний технологии, говорится в пресс-релизе на сайте британского правительства.
Термоядерная энергетика ставит своей задачей получение полезной энергии при слиянии ядер легких элементов. Такая схема в самом общем смысле аналогична происходящим в ядрах звезд реакциям. Основной проблемой является создание и поддержание подходящих условий.
Так как ядра заряжены одинаково, то они испытывают кулоновское отталкивание, из-за чего их сложно сблизить, а без этого их слияние невозможно. Преодолеть это можно путем нагрева вещества до очень высоких температур, но тогда в случае контролируемого процесса возникает две проблемы: разогретая плазма повреждает материалы, с которыми приходит в контакт, а связанное с температурой высокое внутреннее давление приводит к быстрому расширению и охлаждению.
В звездах эти обстоятельства обходятся с помощью огромной массы вышележащих слоев. В этом смысле звезды — не очень эффективные преобразователи энергии — на единицу массы всего Солнца выделяется примерно столько же энергии, сколько и в случае гниющих листьев, несмотря на высокое абсолютное энерговыделение в ядре.
Ученые предложили несколько возможных схем удержания плазмы, которые, как правило, связаны с сильными магнитными полями. Основными концепциями являются токамак и стелларатор. Термоядерные реакторы разных конструкций есть во многих странах мира, в том числе в России, США, Германии и Китае.
Самым крупным проектом в этой области является международный токамак ITER, который в данный момент строится во Франции. Однако эта установка не будет электростанцией — вырабатываемое ею тепло планируется рассеивать, а основным результатом ее функционирования должна стать доработка технологий. Первой настоящей термоядерной электростанцией может стать следующий токамак DEMO, но его постройка завершится не раньше 2040 года.
Великобритания решила самостоятельно включиться в гонку за реализацией коммерчески жизнеспособного термоядерного реактора. Правительство выделило 220 миллионов фунтов (примерно 270 миллионов долларов США) на доработку проекта STEP (Spherical Tokamak for Energy Production — сферический токамак для производства энергии). Эту технологию развивают в Калхэмском центре термоядерной энергии (Culham Centre for Fusion Energy, CCFE), подразделении Управления по атомной энергии Соединённого Королевства (United Kingdom Atomic Energy Authority, UKAEA). В этом научном центре уже создано два современных токамака — MAST и JET.
В то время как у обычного токамака плазма находится в виде тора, в сферическом токамаке сделана попытка максимального уменьшения малого радиуса, в результате чего форма плазменного облака получается близкой к шарообразной, ее также сравнивают с яблоком с удаленной сердцевиной. Такая конструкция позволяет сдерживать плазму менее интенсивными магнитными полями, но масштабируемость такого подхода находится под вопросом.
Чиновники ожидают, что выделенных средств хватит для разработки к 2024 году окончательного варианта проекта. В результате также должен появиться реализуемый план строительства полноценной термоядерной электростанции к 2040 году. В документе отмечается, что установка MAST будет играть ключевую роль в новом проекте, ее запуск после обновления планируется в начале 2020 года.
Ранее мы сообщали, что плазменный шнур в токамаке EAST продержался дольше 100 секунд, частная британская компания получила первую плазму в новом токамаке, а на установке KSTAR поставили мировой рекорд по удержанию плазмы. В целом в последние годы наблюдается всплеск исследований в области термоядерной энергетики, о чем мы писали в материале «Больше токамаков».
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».