Как базы данных МАГАТЭ помогают в исследованиях, призванных сделать возможным использование термоядерного синтеза на коммерческой основе

Чтобы реализовать перспективу использования огромного энергетического потенциала термоядерного синтеза в коммерческих масштабах, необходимо лучше понимать плазму — ионизированный газ со сверхвысокой температурой — и разработать высокоэффективные материалы для реакторов. Базы данных МАГАТЭ, помогающие изучать поведение плазмы и позволяющие моделировать свойства материалов, используемых в термоядерных исследованиях, способствуют прогрессу в исследованиях, призванных в конечном итоге сделать возможным производство термоядерной энергии на коммерческой основе.

Ключевое значение для развития термоядерной энергетики имеет достижение и последующее поддержание экстремальных условий, необходимых для «термоядерного зажигания» — момента, когда термоядерная реакция начинает происходить за счет энергии, которую она сама генерирует. Участвующее в реакции плазменное топливо должно удерживаться в замкнутом пространстве достаточно долго для того, чтобы термоядерный синтез развился и обеспечил достаточный нагрев для самостоятельного протекания.

Для достижения эффекта зажигания инженеры также должны разработать высокоэффективные материалы для стенок реактора, способные выдерживать постоянный поток энергии в виде выделяющегося тепла и нейтронов. Эта энергия нагревает стенки, а бомбардировка нейтронами может привести к повреждению материала. В результате либо будет нарушена целостность стенок, либо материал попадет в плазму и охладит ее.

Кроме того, материалы реактора должны поглощать как можно меньше трития — одного из изотопов водорода, входящего в состав термоядерного топлива. Поглощенное тритиевое топливо — это потерянное топливо для реакции. Но что более важно, тритий радиоактивен, и чтобы свести к минимуму количество и радиотоксичность образующихся в итоге ядерных отходов, стенки реактора в идеале не должны поглощать тритий и становиться радиоактивными.

Изучение поведения плазмы

Глубокое понимание того, как ведет себя плазма в реакторе, необходимо для увеличения продолжительности времени, в течение которого она может удерживаться магнитными силами. В базах данных МАГАТЭ содержится информация о процессах, происходящих в центральной и периферийной плазме, а также в системах инжекции потока нейтральных частиц, используемых для нагревания плазмы и ее последующего зажигания. В них также содержатся данные о свойствах различных примесей, которые специально вводятся в плазму для целей диагностики и для повышения устойчивости.

База данных МАГАТЭ ALADDIN с функцией поиска представляет собой хранилище оцененных данных по столкновениям в рамках процессов, связанных с термоядерным синтезом. Она используется исследовательским сообществом для проведения диагностики плазмы и получения информации о важных параметрах плазмы, таких как температура и плотность. Используя ALADDIN, ученые могут лучше понять столкновительные и радиационные свойства ионов, что крайне важно для надежной диагностики плазмы.

Моделирование материалов для термоядерного синтеза

Создание новых материалов для будущих термоядерных электростанций усложняется из-за отсутствия установок, воспроизводящих экстремальные условия термоядерного реактора. Используя методы компьютерного моделирования, высокопроизводительные вычислительные платформы и аналитические экспериментальные средства характеризации, специалисты могут разрабатывать материалы, хорошо подходящие для термоядерной энергетики.

Благодаря моделированию открываются новые материалы и прогнозируется надежность существующих. Это особенно важно для внутренней стенки реактора, которая расположена ближе всего к плазме в корпусе реактора и защищает компоненты корпуса от повреждений, вызванных плазмой.

«Из-за экстремальных условий вблизи первой стенки термоядерного реактора требуется тщательно выбирать материалы, которые должны выдерживать высокие температуры и бомбардировку частицами, не подвергаясь при этом эрозии и не становясь хрупкими или радиоактивными, а также не удерживая водородное топливо, — рассказывает Кристиан Хилл, руководитель Группы атомных и молекулярных данных МАГАТЭ. — Только имея надежные данные, полученные в результате точных расчетов и экспериментов, можно предсказать соответствующие свойства материалов, потенциально подходящих для использования».

Базы данных МАГАТЭ используются при проведении исследований в области термоядерной энергии и для других применений, связанных с наукой о плазме и соответствующими технологиями. МАГАТЭ собирает и оценивает данные в рамках своих сетей, проектов координированных исследований и технических совещаний и распространяет их через свои бесплатные курируемые онлайновые базы данных с функцией поиска.

«Ценность курируемой международной базы данных заключается в том, что она является постоянным, надежным и доступным хранилищем оцененных данных, которые могут бесплатно использоваться сообществом, занимающимся вопросами термоядерного синтеза. Группа атомных и молекулярных данных МАГАТЭ уникальна и в другом отношении: она существует уже более 40 лет, и это довольно значительный срок», — отмечает Хилл.

Базы данных МАГАТЭ постоянно совершенствуются и расширяются с учетом конкретных потребностей исследователей в данных. В частности, проводится количественная оценка данных, определяется степень их неопределенности и применяются методы проверки, организации и распространения данных.

Все базы данных по термоядерному синтезу, ведущиеся МАГАТЭ, доступны по ссылке: amdis.iaea.org/databases