Термоядерная энергия – Термоядерная энергетика: надежда человечества? / Habr

Содержание

Термоядерная энергетика: надежда человечества? / Habr

В детстве я любил читать журнал «Наука и Жизнь», в деревне лежала подшивка начиная с 60-х годов. Там часто рассказывали про термоядерный синтез в радостном ключе — вот уже почти, и оно будет! Многие страны, чтобы успеть на раздачу бесплатной энергии строили у себя Токамаки (и настроили их суммарно 300 штук по всему миру).

Годы шли… Сейчас 2013-й год, а человечество до сих пор получает бОльшую часть энергии от сжигания угля, как в 19-м веке. Почему так получилось, что мешает создать термоядерный реактор, и чего нам ждать в будущем — под катом.

Ядро атома, как мы помним, состоит в первом приближении из протонов и нейтронов (=нуклонов). Для того, чтобы от атома оторвать все нейтроны и протоны — нужно затратить определенную энергию — энергию связи ядра. Эта энергия отличается у различных изотопов, и естественно, при ядерных реакциях баланс энергии должен сохраняться. Если построить график энергии связи для всех изотопов (из расчета на 1 нуклон), получим следующее:

Отсюда мы видим, что получать энергию мы можем или разделяя тяжелые атомы (вроде 235U), или соединяя легкие.

Наиболее реалистичные и интересные в практическом отношении следующие реакции синтеза:

1) 2D+3T -> 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
2) 2D+2D -> 3T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%
    2D+2D -> 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50%
3) 2D+3He -> 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
4) p+11B -> 34He + 8.7 MeV

В этих реакциях используется Дейтерий (D) — его можно получать прямо из морской воды, Тритий (T) — радиоактивный изотоп водорода, сейчас его получают как отход на обычных ядерных реакторах, можно специально производить из лития. Гелий-3 — вроде-бы на Луне, как мы все уже знаем. Бор-11 — природный бор на 80% состоит из бора-11. p (Протий, атом водорода) — обычный водород.

Для сравнения, при делении 235U выделяется ~202.5 MeV энергии, т.е. гораздо больше чем при реакции синтеза из расчета на 1 атом (но из расчета на килограмм топлива — конечно термоядерное топливо дает больше энергии).

По реакциям 1 и 2 — получается много очень высокоэнергетических нейтронов, которые всю конструкцию реактора делают радиоактивной. А вот реакции 3 и 4 — «без-нейтронные» (aneutronic) — не дают наведенной радиации. К сожалению, побочные реакции все равно остаются, например из реакции 3 — дейтерий будет и сам с собой реагировать, и небольшое нейтронное излучение все-же будет.

Реакция 4 интересна тем, что в результате получаем 3 альфа-частицы, с которых теоретически можно напрямую энергию снимать (т.к. они фактически представляют собой движущиеся заряды = ток).

В общем, интересных реакций достаточно. Вопрос лишь в том, насколько просто их осуществить в реальности?

О сложности проведения реакции Человечество относительно легко освоило деление

235U: никакой сложности тут нет — поскольку нейтроны не обладают зарядом, они могут буквально «проползать» сквозь ядро даже с очень маленькой скоростью. В большинстве реакторов деления и используются как раз такие, тепловые нейтроны — у которых скорость движения сравнима со скоростью теплового движения атомов.

А вот при реакции синтеза — у нас есть 2 ядра имеющие заряд, и они отталкиваются друг от друга. Для того, чтобы сблизить их на нужное для реакции расстояние — нужно, чтобы они двигались с достаточной скоростью. Скорости такой можно либо достичь в ускорителе (когда все атомы в результате двигаются с одной оптимальной скоростью), или нагреванием (когда атомы летают как попало в случайных направлениях и случайной скоростью).

Вот график, показывающий скорость реакции (сечение) в зависимости от скорости (=энергии) сталкивающихся атомов:

Вот то же, но построенное от температуры плазмы, с учетом того, что атомы там летают со случайной скоростью:


Сразу видим, что реакция D+T — самая «легкая» (ей нужны жалкие 100 миллионов градусов), D+D — примерно в 100 раз медленее при тех же температурах, D+3He идет быстрее чем конкурирующая D+D только при температурах порядка 1 млрд градусов.

Таким образом, только реакция D+T хотя бы отдаленно доступна человеку, со всеми её недостатками (радиоактивность трития, сложности с его получением, наведенная нейтронами радиация).

Но как вы понимаете, взять и нагреть что-то до ста миллионов градусов и оставить реагировать не выйдет — любые нагретые предметы излучают свет, и таким образом быстро остывают. Плазма нагретая до сотни миллионов градусов — светит в рентгеновском диапазоне, и что самое печальное — она прозрачна для него. Т.е. плазма с такой температурой фатально быстро остывает, и чтобы поддерживать температуру нужно постоянно вкачивать гигантскую энергию на поддержание температуры.

Впрочем, из-за того, что в термоядерном реакторе газа очень мало (например в ITER — всего пол грамма), все получается не так плохо: чтобы нагреть 0.5г водорода до 100 млн градусов нужно потратить примерно столько же энергии, сколько для нагревания 186 литров воды на 100 градусов.

Есть еще критерий Лоусона, показывающий, будет ли реакция давать больше энергии, чем тратится. Помимо температуры важна еще плотность (само собой выше плотность плазмы — быстрее реакция идет) и время удержания плазмы (чтобы успело прореагировать). Соответственно, системы могут быть импульсные (Z-Machine, NIF, термоядерный заряд — короткое время реакции, высокая температура и плотность) и постоянные (токамак — низкая плотность и температура, длительное время реакции).

Посмотрим теперь, какие подходы есть к реализации термоядерного реактора.

Звезда — естественный термоядерный реактор. Горячая плазма под высоким давлением удерживается гравитацией, а все излучаемое рентгеновское излучение — за счет огромной плотности и размеров поглощается. Таким образом ядро не остывает даже при относительно маленьких скоростях реакции. Из-за этого в ядре сгорает не только водород и дейтерий, но и гораздо более тяжелые элементы. К сожалению, на земле такую конструкцию реализовать затруднительно.

Термоядерная (водородная) бомба — также достаточно проста по конструкции. Полый шар из плутония в дельта-фазе (дельта-фаза имеет на 1/4 меньшую плотность чем альфа-фаза), а в центре в простейшем случае — термоядерное топливо, дейтерид лития-6. С помощью 2-х типов взрывчатки («медленной» и «быстрой») и двух детонаторов формируется сферическая ударная волна, которая переводит плутоний в альфа-фазу меньшего размера, в которой возможна цепная реакция деления. По желанию можно добавить внешний импульсный нейтронный инициатор (о нем ниже) — в момент наибольшего сжатия он выдаст кучу нейтронов, которые должны дать резкий старт реакции.

«Лишние» нейтроны захватываются литием-6 с образованием трития, и образуется как раз нужная нам нагретая смесь дейтерия и трития. Они начинают реагировать друг с другом — и удерживает их от разлетания сила инерции относительно тяжелого корпуса заряда из урана. Помимо этого, урановый корпус непрозрачен для рентгеновского излучения — соответственно потери тепла меньше. Вся реакция заканчивается за 1 микросекунду — и корпус только-только начинает разлетаться в разные стороны.

Это была так называемая «бустерная схема» ядерного заряда, где вклад термоядерной реакции невелик, и лишь позволяет немного поднять мощность «задешево» (плутоний — страшно дорогой, а литий — в сравнении с ним дешев как грязь).

Тритий напрямую не используют поскольку он радиоактивный и соответственно долго не хранится. А литий-6 стабилен, и ядерный заряд всегда готов к бою. Можно использовать и литий-7 — он не только дает тритий, но и еще один лишний нейтрон. Об этой реакции не знали, когда американцы тестировали бомбу «Shrimp» («Креветка»). Из-за отсутствия чистого лития-6 положили частично обогащенный в котором лития-6 было всего 40%, и рассчитывали на взрыв в 6 мегатонн, а долбануло на 15.

Существует и схема радиационной имплозии — когда первичный ядерный взрыв рентгеновским излучением обжимает и нагревает отдельную сферу с термоядерным топливом.

Это конечно все хорошо работает в целях разрушения, но в целях получения энергии этот подход использовать не получается, очень уж высока минимальная мощность взрыва, и слишком много обычных радиоактивных продуктов реакции плутония/урана.

Линейные ускорители: идея проста — берем мишень из любого удобного дейтерида металла, и в маленьком линейном ускорителе разгоняем до нужной скорости атомы трития. Получаем настоящую термоядерную реакцию, и выходом энергии и 14.1 MeV нейтронов. Такой источник можно использовать для поиска нефти и воды (например на марсианском ровере MSL стоит российский импульсный источник нейтронов DAN), и в качестве внешнего импульсного нейтронного инициатора в ядерных зарядах.

Почему-же так нельзя вырабатывать электричество? На разгон атомов тратится намного больше энергии, чем мы получаем в результате реакции (далеко не все разгоняемые атомы реагируют). По моим расчетам DAN например имеет КПД порядка 0.0016%.

Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) — идея уже немного сложнее, в плазменном торе как в трансформаторе наводим ток. Вокруг тора — сверхпроводящие магниты, которые «обжимают» плазму и не дают ей коснуться стенок. Плазма нагревается микроволновым излучением, и резистивным нагревом от протекающего тока. Когда начинали работать по этому направлению — казалось: вот-вот и все будет работать.

Во всем мире построено порядка 300 токамаков, и самый современный и крупный из них — строящийся международный проект ITER (в том числе и при участии России). В нем должен быть наконец достигнут показатель Q=10 (т.е. выделение энергии в 10 раз больше затрачиваемой на нагрев и удержание плазмы). Водородную плазму (т.е. без термоядерной реакции) собираются зажечь в 2020-м, а начать запуски с дейтерий-тритиевой плазмой — в 2027, если конечно все пойдет по плану и не случится какой-нибудь очередной кризис.

Проблемы у токамаков следующие (при их будущем промышленном использовании):

  1. Нестабильность плазмы. Разряд норовит где-то становится тоньше, где-то — толще, вплоть до разрыва кольца (с прекращением тока) или касанием стенок. С проблемой боролись увеличением размеров камеры, добавлением полоидального магнитного поля (вокруг вертикальной оси камеры).
  2. Тритий — дорог, и его нужно много для производства энергии. Если мы единственный нейтрон, образующийся в реакции D+T с помощью лития-6 конвертируем в 1 атом трития — за счет неизбежных потерь нейтронов трития будет все меньше и меньше. Необходимо использовать размножение нейтронов — используя например литий-7 или свинец, которыми нужно обложить внутреннюю стенку реактора (бланкет), и доставать оттуда как-то тритий.
  3. Мощное нейтронное излучение: на ту же вырабатываемую мощность нейтронный поток в ~5-10 раз больше, чем у обычных ядерных реакторов, и сами нейтроны имеют намного большую энергию. Это значит, что если конструкцию реактора сделать из тех же материалов, то срок службы у нее будет 5 лет, а не 50 (как у обычных реакторов).
  4. Поскольку плазма с огромной температурой теряет много энергии на излучение, а камера должна быть большой для обеспечения стабильности — минимальная мощность реактора получается большой, сотни мегаватт.

Стелларатор — «мятый» бублик, где магнитное поле формируется внешними магнитами очень хитрой формы и обеспечивает стабильность плазмы. По сравнению с токамаком — намного более сложная конструкция. По «качеству» удержания плазмы сейчас уже уступает токамакам.

NIF — National Ignition Facility — идея в том, чтобы сфокусировать свет от 192 импульсных лазеров на мишени, окружающей капсулу с дейтерий-тритиевой смесью. Свет нагревает мишень — она нагревается до миллионов градусов, и равномерно светом «обжимает» капсулу с термоядерным топливом. На хабре кстати 3 года назад писали, что там уже почти все готово.

Проект завершился 30 сентября 2012 года. Оказалось, в компьютерной модели были неточности. По новой оценке, достигнутая в NIF мощность импульса 1.8 мегаджоуля — 33-50% от требуемой, чтобы выделилось столько же энергии, сколько было затрачено.

Sandy Z-machine Идея такая: возьмем большую кучу высоковольтных конденсаторов, и резко разрядим их через тоненькие вольфрамовые проволочки в центре машины. Проволочки мгновенно испаряются, через них продолжает течь огромный ток в 27 миллионов ампер на протяжении 95 наносекунд. Плазма, нагретая до миллионов и миллиардов(!) градусов — излучает рентгеновское излучение, и обжимает им капсулу с дейтерий-тритиевой смесью в центре (энергия импульса рентгеновского излучения — 2.7 мегаджоуля).

Планируется апгрейд системы с использованием российской силовой установки (Linear Transformer Driver — LTD). В 2013-м году ожидаются первые тесты, в которых получения энергия сравнится с затрачиваемой (Q=1). Возможно, у этого направления в будущем появится шанс сравниться и превзойти токамаки.

Dense Plasma Focus — DPF — «схлопывает» бегущую по электродам плазму с получением гигантских температур. В марте 2012 на установке, действующей по этому принципу была достигнута температура 1.8 млрд градусов.

Levitated Dipole — «вывернутый» токамак, в центре вакуумной камеры висит торообразный сверхпроводящий магнит который и удерживает плазму. В такой схеме плазма обещает быть стабильной сама по себе. Но финансирования у проекта сейчас нет, похоже непосредственно реакцию синтеза на установке не проводили.

Farnsworth–Hirsch fusor Идея проста — размещаем две сферические сетки в вакуумной камере наполненной дейтерием, или дейтерий-тритиевой смесью, прикладываем между ними потенциал в 50-200 тысяч вольт. В электрическом поле атомы начинают летать вокруг центра камеры, иногда сталкиваясь между собой.

Выход нейтронов есть, но он довольно мал. Большие потери энергии на тормозное рентгеновское излучение, внутренняя сетка быстро раскаляется и испаряется от столкновений с атомами и электронами. Хотя конструкция интересна с академической точки зрения (собрать её может любой студент), КПД генерации нейтронов намного ниже линейных ускорителей.

Polywell — хорошие напоминание о том, что не все работы по термоядерному синтезу публичны. Работа финансировалась ВМФ США, и была засекречена, пока не были получены отрицательные результаты.

Идея — развитие Farnsworth–Hirsch fusor. Центральный отрицательный электрод, с которым было больше всего проблем, мы заменяем облаком электронов, удерживаемых магнитным полем в центре камеры. Все тестовые модели имели обычные, а не сверхпроводящие магниты. Реакция давала единичные нейтроны. В общем, никакой революции. Возможно, увеличение размеров и сверхпроводящие магниты и изменили бы что-то.

Мюонный катализ — радикально отличающаяся идея. Берем отрицательно-заряженный мюон, и заменяем им электрон в атоме. Поскольку мюон в 207 раз тяжелее электрона — в молекуле водорода 2 атома будут намного ближе друг к другу, и произойдет реакция синтеза. Единственная проблема — если в результате реакции образуется гелий (шанс ~1%), и мюон улетит с ним — больше в реакциях он участвовать не сможет (т.к. гелий не образует химического соединения с водородом).

Проблема тут в том, что генерация мюона на данный момент требует больше энергии, чем может получится в цепочке реакций, и таким образом пока энергию тут не получить.

«Холодный» термоядерный синтез (сюда не включен «холодный» мюонный катализ) — давно является пастбищем псевдоученых. Научно подтвержденных и независимо повторяемых положительных результатов нет. А сенсации на уровне желтой прессы были уже не раз и до E-Cat-а Андреа Росси.

  1. Термоядерная энергия — вовсе не такая кристально чистая. На единственной реалистичной на данный момент реакции D+T поток нейтронов, который сделает радиоактивными любые элементы конструкции — в ~10 раз выше, чем в обычных реакторах на той же мощности. Корпус реактора придется менять раз в 5-10 лет.
  2. Человечество безусловно достигнет Q=10 (получаем в 10 раз больше термоядерной энергии, чем тратим). Этого показателя вероятно удастся достигнуть и на Токамаке (ITER) и на Z-Machine, в 2030-х годах и позднее.
  3. Не смотря на достижение Q=10, термоядерные реакторы будут намного дороже, чем классические урановые из-за более сложной конструкции, более короткого срока службы корпуса и сверхпроводящих магнитов. Термоядерные реакторы также не смогут быть маленькими (как например плавучая мини-АЭС)
  4. Энергии при термоядерной реакции выделяется не так много — на одно деление урана выделяется в 11.5 раз больше энергии, чем при синтезе D+T (которая обладает наибольшим энерговыделением среди реакций синтеза)
  5. Термоядерного топлива как раз не много — тритий очень дорог и дефицитен. Получение его не проще и не дешевле, чем получение плутония из отходов урана или U-233 из тория.
  6. Гелий-3 — никак не помог бы человечеству, даже если бы его были горы на земле. Паразитная реакция D+D все равно будет давать радиацию, а оптимальная температура — миллиард градусов, намного сложнее D+T над которой бьется человечество на данный момент.
  7. Похоже ближайшие 1000 лет мы будем использовать реакторы на быстрых нейтронах, сжигать дешевый уран-238 и торий (Если конечно человечество не уничтожит себя в очередной войне)
  8. Тем не менее — человечество обязано продолжать работать над термоядерной энергией, даже если коммерческий результат будет через 1000 лет, точно так же, как тысячелетие назад ученые работали над основами математики — без них не было бы сегодняшнего прогресса.

habr.com

Термоядерные реакторы, как они работают и есть ли у них будущее

Вторая половина XX века была периодом бурного развития ядерной физики. Стало ясно, что ядерные реакции можно использовать для получения огромной энергии из мизерного количества топлива. От взрыва первой ядерной бомбы до первой АЭС прошло всего девять лет, и когда в 1952 году была испытана водородная бомба, появились прогнозы, что уже в 1960-х вступят в строй термоядерные электростанции. Увы, эти надежды не оправдались.

Основной источник энергии для человечества в настоящее время — сжигание угля, нефти и газа. Но их запасы ограничены, а продукты сгорания загрязняют окружающую среду. Угольная электростанция дает больше радиоактивных выбросов, чем АЭС такой же мощности! Так почему же мы до сих пор не перешли на ядерные источники энергии? Причин тому много, но главной из них в последнее время стала радиофобия. Несмотря на то что угольная электростанция даже при штатной работе вредит здоровью куда большего числа людей, чем аварийные выбросы на АЭС, она делает это тихо и незаметно для публики. Аварии же на АЭС сразу становятся главными новостями в СМИ, вызывая общую панику (часто совершенно необоснованную). Впрочем, это вовсе не означает, что у ядерной энергетики нет объективных проблем. Немало хлопот доставляют радиоактивные отходы: технологии работы с ними все еще крайне дороги, и до идеальной ситуации, когда все они будут полностью перерабатываться и использоваться, еще далеко.

Из всех термоядерных реакций в ближайшей перспективе интересны лишь четыре: дейтерий+дейтерий (продукты — тритий и протон, выделяемая энергия 4,0 МэВ), дейтерий+дейтерий (гелий-3 и нейтрон, 3,3 МэВ), дейтерий+тритий (гелий-4 и нейтрон, 17,6 МэВ) и дейтерий+гелий-3 (гелий-4 и протон, 18,2 МэВ). Первая и вторая реакции идут параллельно с равной вероятностью. Образующиеся тритий и гелий-3 «сгорают» в третьей и четвертой реакциях.

От деления к синтезу

Потенциально решить эти проблемы позволяет переход от реакторов деления к реакторам синтеза. Если типичный реактор деления содержит десятки тонн радиоактивного топлива, которое преобразуется в десятки тонн радиоактивных отходов, содержащих самые разнообразные радиоактивные изотопы, то реактор синтеза использует лишь сотни граммов, максимум килограммы, одного радиоактивного изотопа водорода — трития. Кроме того, что для реакции требуется ничтожное количество этого наименее опасного радиоактивного изотопа, его производство к тому же планируется осуществлять непосредственно на электростанции, чтобы минимизировать риски, связанные с транспортировкой. Продуктами синтеза являются стабильные (не радиоактивные) и нетоксичные водород и гелий. Кроме того, в отличие от реакции деления, термоядерная реакция при разрушении установки моментально прекращается, не создавая опасности теплового взрыва. Так почему же до сих пор не построено ни одной действующей термоядерной электростанции? Причина в том, что из перечисленных преимуществ неизбежно вытекают недостатки: создать условия синтеза оказалось куда сложнее, чем предполагалось в начале.


Критерий Лоусона

Чтобы термоядерная реакция была энергетически выгодной, нужно обеспечить достаточно высокую температуру термоядерного топлива, достаточно высокую его плотность и достаточно малые потери энергии. Последние численно характеризуются так называемым «временем удержания», которое равно отношению запасённой в плазме тепловой энергии к мощности потерь энергии (многие ошибочно полагают, что «время удержания» — это время, в течение которого в установке поддерживается горячая плазма, но это не так). При температуре смеси дейтерия и трития, равной 10 кэВ (примерно 110 000 000 градусов), нам нужно получить произведение числа частиц топлива в 1 см3 (т.е. концентрации плазмы) на время удержания (в секундах) не менее 1014. При этом неважно, будет ли у нас плазма с концентрацией 1014 см-3 и временем удержания 1 с, или плазма с концентрацией 1023 и время удержания 1 нс. Это критерий называется «критерием Лоусона».
Кроме критерия Лоусона, отвечающего за получение энергетически выгодной реакции, существует ещё критерий зажигания плазмы, который для дейтерий-тритиевой реакции примерно втрое больше критерия Лоусона. «Зажигание» означает, что той доли термоядерной энергии, что остаётся в плазме, будет хватать для поддержания необходимой температуры, и дополнительный нагрев плазмы больше не потребуется.

Z-пинч

Первым устройством, в котором планировалось получить управляемую термоядерную реакцию, стал так называемый Z-пинч. Эта установка в простейшем случае состоит всего из двух электродов, находящихся среде дейтерия (водорода-2) или смеси дейтерия и трития, и батареи высоковольтных импульсных конденсаторов. На первый взгляд кажется, что она позволяет получить сжатую плазму, разогретую до огромной температуры: именно то, что нужно для термоядерной реакции! Однако в жизни все оказалось, увы, далеко не так радужно. Плазменный жгут оказался неустойчивым: малейший его изгиб приводит к усилению магнитного поля с одной стороны и ослаблению с другой, возникающие силы еще больше увеличивают изгиб жгута — и вся плазма «вываливается» на боковую стенку камеры. Жгут неустойчив не только к изгибу, малейшее его утоньшение приводит к усилению в этой части магнитного поля, которое еще сильнее сжимает плазму, выдавливая ее в оставшийся объем жгута, пока жгут не будет окончательно «передавлен». Передавленная часть обладает большим электрическим сопротивлением, так что ток обрывается, магнитное поле исчезает, и вся плазма рассеивается.

Принцип работы Z-пинча прост: электрический ток порождает кольцевое магнитное поле, которое взаимодействует с этим же током и сжимает его. В результате плотность и температура плазмы, через которую течёт ток, возрастают.

Стабилизировать плазменный жгут удалось, наложив на него мощное внешнее магнитное поле, параллельное току, и поместив в толстый проводящий кожух (при перемещении плазмы перемещается и магнитное поле, что индуцирует в кожухе электрический ток, стремящийся вернуть плазму на место). Плазма перестала изгибаться и пережиматься, но до термоядерной реакции в сколько-нибудь серьезных масштабах все равно было далеко: плазма касается электродов и отдает им свое тепло.

Технарь или гуманитарий: тест на знание физики

Современные работы в области синтеза на Z-пинче предполагают еще один принцип создания термоядерной плазмы: ток протекает через трубку из плазмы вольфрама, которая создает мощное рентгеновское излучение, сжимающее и разогревающее капсулу с термоядерным топливом, находящуюся внутри плазменной трубки, подобно тому, как это происходит в термоядерной бомбе. Однако эти работы имеют чисто исследовательский характер (изучаются механизмы работы ядерного оружия), а выделение энергии в этом процессе все еще в миллионы раз меньше, чем потребление.

Технарь или гуманитарий: тест на знание физики Чем меньше отношение большого радиуса тора токамака (расстояния от центра всего тора до центра поперечного сечения его трубы) к малому (радиусу сечения трубы), тем больше может быть давление плазмы при том же магнитном поле. Уменьшая это отношение, учёные перешли от круглого сечения плазмы и вакуумной камеры к D-образному (в этом случае роль малого радиуса выполняет половина высоты сечения). У всех современных токамаков форма сечения именно такая. Предельным случаем стал так называемый «сферический токамак». В таких токамаках вакуумная камера и плазма имеют почти сферическую форму, за исключением узкого канала, соединяющего полюса сферы. В канале проходят проводники магнитных катушек. Первый сферический токамак, START, появился лишь в 1991-м году, так что это достаточно молодое направление, но оно уже показало возможность получить то же давление плазмы при втрое меньшем магнитном поле.

Пробкотрон, стелларатор, токамак

Другой вариант создания необходимых для реакции условий — так называемые открытые магнитные ловушки. Самая известная из них — «пробкотрон»: труба с продольным магнитным полем, которое усиливается на ее концах и ослабевает в середине. Увеличенное на концах поле создает «магнитную пробку» (откуда русское название), или «магнитное зеркало» (английское — mirror machine), которое удерживает плазму от выхода за пределы установки через торцы. Однако такое удержание неполное, часть заряженных частиц, движущихся по определенным траекториям, оказывается способной пройти через эти пробки. А в результате столкновений любая частица рано или поздно попадет на такую траекторию. Кроме того, плазма в пробкотроне оказалась еще и неустойчивой: если в каком-то месте небольшой участок плазмы удаляется от оси установки, возникают силы, выбрасывающие плазму на стенку камеры. Хотя базовая идея пробкотрона была значительно усовершенствована (что позволило уменьшить как неустойчивость плазмы, так и проницаемость пробок), к параметрам, необходимым для энергетически выгодного синтеза, на практике даже приблизиться не удалось.

Технарь или гуманитарий: тест на знание физики

Можно ли сделать так, чтобы плазма не уходила через «пробки»? Казалось бы, очевидное решение — свернуть плазму в кольцо. Однако тогда магнитное поле внутри кольца получается сильнее, чем снаружи, и плазма снова стремится уйти на стенку камеры. Выход из этой непростой ситуации тоже казался довольно очевидным: вместо кольца сделать «восьмерку», тогда на одном участке частица будет удаляться от оси установки, а на другом — возвращаться назад. Именно так ученые пришли к идее первого стелларатора. Но такую «восьмерку» нельзя сделать в одной плоскости, так что пришлось использовать третье измерение, изгибая магнитное поле во втором направлении, что тоже привело к постепенному уходу частиц от оси к стенке камеры.

Ситуация резко изменилась с созданием установок типа «токамак». Результаты, полученные на токамаке Т-3 во второй половине 1960-х годов, были столь ошеломляющими для того времени, что западные ученые приезжали в СССР со своим измерительным оборудованием, чтобы убедиться в параметрах плазмы самостоятельно. Реальность даже превзошла их ожидания.

Технарь или гуманитарий: тест на знание физики Эти фантастически переплетенные трубы не арт-проект, а камера стелларатора, изогнутая в виде сложной трехмерной кривой.

В руках инерции

Помимо магнитного удержания существует и принципиально иной подход к термоядерному синтезу — инерциальное удержание. Если в первом случае мы стараемся долгое время удерживать плазму очень низкой концентрации (концентрация молекул в воздухе вокруг вас в сотни тысяч раз больше), то во втором — сжимаем плазму до огромной плотности, на порядок выше плотности самых тяжелых металлов, в расчете, что реакция успеет пройти за то короткое время, пока плазма не успела разлететься в стороны.

Первоначально, в 1960-х годах, планировалось использовать маленький шарик из замороженного термоядерного топлива, равномерно облучаемый со всех сторон множеством лазерных лучей. Поверхность шарика должна была моментально испариться и, равномерно расширяясь во все стороны, сжать и нагреть оставшуюся часть топлива. Однако на практике облучение оказалось недостаточно равномерным. Кроме того, часть энергии излучения передавалась во внутренние слои, вызывая их нагрев, что усложняло сжатие. В итоге шарик сжимался неравномерно и слабо.

Технарь или гуманитарий: тест на знание физики Есть ряд современных конфигураций стеллараторов, и все они близки к тору. Одна из наиболее распространённых конфигураций предполагает использование катушек, аналогичных катушкам полоидального поля токамаков, и четырёх-шести скрученных винтом вокруг вакуумной камеры проводников с разнонаправленным током. Создаваемое при этом сложное магнитное поле позволяет надёжно удерживать плазму, не требуя протекания через неё кольцевого электрического тока. Кроме того, в стеллараторах могут быть использованы и катушки тороидального поля, как у токамаков. А винтовые проводники могут отсутствовать, но тогда катушки «тороидального» поля устанавливаются вдоль сложной трёхмерной кривой. Последние разработки в области стеллараторов предполагают использование магнитных катушек и вакуумной камеры очень сложной формы (сильно «мятый» тор), просчитанной на компьютере.

Проблему неравномерности удалось решить, существенно изменив конструкцию мишени. Теперь шарик размещается внутри специальной небольшой металлической камеры (она называется «хольраум», от нем. hohlraum — полость) с отверстиями, через которые внутрь попадают лазерные лучи. Кроме того, используются кристаллы, конвертирующие лазерное излучение ИК-диапазона в ультрафиолетовое. Это УФ-излучение поглощается тончайшим слоем материала хольраума, который при этом нагревается до огромной температуры и излучает в области мягкого рентгена. В свою очередь, рентгеновское излучение поглощается тончайшим слоем на поверхности топливной капсулы (шарика с топливом). Это же позволило решить и проблему преждевременного нагрева внутренних слоев.

Однако мощность лазеров оказалась недостаточной для того, чтобы в реакцию успела вступить заметная часть топлива. Кроме того, эффективность лазеров была весьма мала, лишь около 1%. Чтобы синтез был энергетически выгодным при таком низком КПД лазеров, должно было прореагировать практически все сжатое топливо. При попытках заменить лазеры на пучки легких или тяжелых ионов, которые можно генерировать с куда большим КПД, ученые также столкнулись с массой проблем: легкие ионы отталкиваются друг от друга, что мешает их фокусировке, и тормозятся при столкновениях с остаточным газом в камере, а ускорителей тяжелых ионов с нужными параметрами создать не удалось.

Магнитные перспективы

Большинство надежд в области термоядерной энергетики сейчас связано с токамаками. Особенно после открытия у них режима с улучшенным удержанием. Токамак является одновременно и свернутым в кольцо Z-пинчем (по плазме протекает кольцевой электрический ток, создающий магнитное поле, необходимое для ее удержания), и последовательностью пробкотронов, собранных в кольцо и создающих «гофрированное» тороидальное магнитное поле. Кроме того, на тороидальное поле катушек и поле плазменного тока накладывается перпендикулярное плоскости тора поле, создаваемое несколькими отдельными катушками. Это дополнительное поле, называемое полоидальным, усиливает магнитное поле плазменного тока (также полоидальное) с внешней стороны тора и ослабляет его с внутренней стороны. Таким образом суммарное магнитное поле со всех сторон от плазменного жгута оказывается одинаковым, и его положение остается стабильным. Меняя это дополнительное поле, можно в определенных пределах перемещать плазменный жгут внутри вакуумной камеры.

Технарь или гуманитарий: тест на знание физики Принципиально иной подход к синтезу предлагает концепция мюонного катализа. Мюон — это нестабильная элементарная частица, имеющая такой же заряд, как и электрон, но в 207 раз большую массу. Мюон может замещать электрон в атоме водорода, при этом размер атома уменьшается в 207 раз. Это позволяет одному ядру водорода приближаться к другому, не затрачивая на это энергию. Но на получение одного мюона тратится порядка 10 ГэВ энергии, что означает необходимость произвести нескольких тысяч реакций синтеза на один мюон для получения энергетической выгодны. Из-за возможности «прилипания» мюона к образующемуся в реакции гелию пока не удалось достичь более нескольких сотен реакций. На фото — сборка стелларатора Wendelstein z-x института физики плазмы Макса Планка.

Важной проблемой токамаков долгое время была необходимость создавать в плазме кольцевой ток. Для этого через центральное отверстие тора токамака пропускали магнитопровод, магнитный поток в котором непрерывно изменяли. Изменение магнитного потока рождает вихревое электрическое поле, которое ионизирует газ в вакуумной камере и поддерживает ток в получившейся плазме. Однако ток в плазме должен поддерживаться непрерывно, а это означает, что магнитный поток должен непрерывно изменяться в одном направлении. Это, разумеется, невозможно, так что ток в токамаках удавалось поддерживать лишь ограниченное время (от долей секунды до нескольких секунд). К счастью, был обнаружен так называемый бутстреп-ток, который возникает в плазме без внешнего вихревого поля. Кроме того, были разработаны методы нагрева плазмы, одновременно вызывающие в ней необходимый кольцевой ток. Совместно это дало потенциальную возможность сколь угодно длительного поддержания горячей плазмы. На практике рекорд на данный момент принадлежит токамаку Tore Supra, где плазма непрерывно «горела» более шести минут.

Технарь или гуманитарий: тест на знание физики

Второй тип установок удержания плазмы, с которым связаны большие надежды, — это стеллараторы. За прошедшие десятилетия конструкция стеллараторов кардинально изменилась. От первоначальной «восьмерки» почти ничего не осталось, и эти установки стали гораздо ближе к токамакам. Хотя пока время удержания у стеллараторов меньше, чем у токамаков (из-за менее эффективной H-моды), а себестоимость их постройки выше, поведение плазмы в них более спокойное, что означает более высокий ресурс первой внутренней стенки вакуумной камеры. Для коммерческого освоения термоядерного синтеза этот фактор представляет очень большое значение.


Выбор реакции

Технарь или гуманитарий: тест на знание физики

На первый взгляд, в качестве термоядерного топлива логичнее всего использовать чистый дейтерий: он стоит относительно дёшево и безопасен. Однако дейтерий с дейтерием реагирует в сотню раз менее охотно, чем с тритием. Это означает, что для работы реактора на смеси дейтерия и трития достаточно температуры 10 кэВ, а для работы на чистом дейтерии нужна температура более 50 кэВ. А чем выше температура — тем выше потери энергии. Поэтому как минимум первое время термоядерную энергетику планируется строить на дейтерий-тритиевом топливе. Тритий при этом будет нарабатываться в самом реакторе за счёт облучения образующимися в нём быстрыми нейтронами лития.
«Неправильные» нейтроны. В культовом фильме «9 дней одного года» главный герой, работая на термоядерной установке, получил серьёзную дозу нейтронного облучения. Однако позднее оказалось, что нейтроны эти рождены не в результате реакции синтеза. Это не выдумка режиссера, а реальный эффект, наблюдаемый в Z-пинчах. В момент обрыва электрического тока индуктивность плазмы приводит к генерации огромного напряжения — миллионы вольт. Отдельные ионы водорода, ускорившись в этом поле, способны буквально выбивать нейтроны из электродов. Поначалу это явление действительно было принято за верный признак протекания термоядерной реакции, но последующий анализ спектра энергий нейтронов показал, что они имеют иное происхождение.
Режим с улучшенным удержанием. H-мода токамака — это такой режим его работы, когда при большой мощности дополнительного нагрева потери плазмой энергии резко уменьшаются. Случайное открытие в 1982 году режима с улучшенным удержанием по своей значимости не уступает изобретению самого токамака. Общепринятой теории этого явления пока еще не существует, но это ничуть не мешает использовать его на практике. Все современные токамаки работают в этом режиме, так как он уменьшает потери более чем в два раза. Впоследствии подобный режим был обнаружен и на стеллараторах, что указывает на то, что это общее свойство тороидальных систем, однако на них удержание улучшается лишь примерно на 30%.
Нагрев плазмы. Существует три основных метода нагрева плазмы до термоядерных температур. Омический нагрев — это нагрев плазмы за счёт протекания через неё электрического тока. Этот метод наиболее эффективен на первых этапах, так как с ростом температуры у плазмы снижается электрическое сопротивление. Электромагнитный нагрев использует электромагнитные волны с частотой, совпадающей с частотой вращения вокруг магнитных силовых линий электронов или ионов. При инжекции быстрых нейтральных атомов создаётся поток отрицательных ионов, которые затем нейтрализуются, превращаясь в нейтральные атомы, способные проходить через магнитное поле в центр плазмы, чтобы передать свою энергию именно там.
А реакторы ли это? Тритий радиоактивен, а мощное нейтронное облучение от D-T реакции создаёт наведённую радиоактивность в элементах конструкции реактора. Приходится использовать роботов, что усложняет работу. В то же время поведение плазмы обычного водорода или дейтерия весьма близко к поведению плазмы из смеси дейтерия и трития. Это привело к тому, что за всю историю лишь две термоядерные установки полноценно работали на смеси дейтерия и трития: токамаки TFTR и JET. На остальных установках даже дейтерий используется далеко не всегда. Так что название «термоядерная» в определении установки вовсе не означает, что в ней когда-либо реально происходили термоядерные реакции (а в тех, где происходят, почти всегда используют чистый дейтерий).
Гибридный реактор. D-T реакция рождает 14 МэВ нейтроны, которые могут делить даже обеднённый уран. Деление одного ядра урана сопровождается выделением примерно 200 МэВ энергии, что в десять с лишним раз превосходит энергию, выделяющуюся при синтезе. Так что уже существующие токамаки могли бы стать энергетически выгодными, если бы их окружили урановой оболочкой. Перед реакторами деления такие гибридные реакторы имели бы преимущество в невозможности развития в них неуправляемой цепной реакции. Кроме того, крайне интенсивные потоки нейтронов должны перерабатывать долгоживущие продукты деления урана в короткоживущие, что существенно снижает проблему захоронения отходов.

Инерциальные надежды

Инерциальный синтез тоже не стоит на месте. За десятки лет развития лазерной техники появились перспективы повысить КПД лазеров примерно в десять раз. А их мощность на практике удалось повысить в сотни и тысячи раз. Ведутся работы и над ускорителями тяжелых ионов с параметрами, пригодными для термоядерного применения. Кроме того, важнейшим фактором прогресса в области инерциального синтеза стала концепция «быстрого поджига». Она предполагает использование двух импульсов: один сжимает термоядерное топливо, а другой разогревает его небольшую часть. Предполагается, что начавшаяся в небольшой части топлива реакция впоследствии распространится дальше и охватит все топливо. Такой подход позволяет существенно снизить затраты энергии, а значит, сделать реакцию выгодной при меньшей доле прореагировавшего топлива.

Проблемы токамаков

Несмотря на прогресс установок иных типов, токамаки на данный момент все равно остаются вне конкуренции: если на двух токамаках (TFTR и JET) еще в 1990-х реально было получено выделение термоядерной энергии, приблизительно равное затратам энергии на нагрев плазмы (пусть такой режим и длился лишь около секунды), то на установках других типов ничего подобного добиться не удалось. Даже простое увеличение размеров токамаков приведет к осуществимости в них энергетически выгодного синтеза. Сейчас во Франции строится международный реактор ITER, который должен будет продемонстрировать это на практике.

Технарь или гуманитарий: тест на знание физики

Однако проблем хватает и у токамаков. ITER стоит миллиарды долларов, что неприемлемо для будущих коммерческих реакторов. Ни один реактор не работал непрерывно в течение даже нескольких часов, не говоря уж о неделях и месяцах, что опять же необходимо для промышленного применения. Пока нет уверенности, что материалы внутренней стенки вакуумной камеры смогут выдержать длительное воздействие плазмы.

Сделать проект менее затратным сможет концепция токамака с сильным полем. За счет увеличения поля в два-три раза планируется получить нужные параметры плазмы в относительно небольшой установке. На такой концепции, в частности, основан реактор Ignitor, который совместно с итальянскими коллегами сейчас начинают строить в подмосковном ТРИНИТИ (Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований). Если расчеты инженеров оправдаются, то при многократно меньшей по сравнению с ITER цене в этом реакторе удастся получить зажигание плазмы.

Вперед, к звездам!

Продукты термоядерной реакции разлетаются в разные стороны со скоростями, составляющими тысячи километров в секунду. Это делает возможным создание сверхэффективных ракетных двигателей. Удельный импульс у них будет выше, чем у лучших электрореактивных двигателей, а потребление энергии при этом может быть даже отрицательным (теоретически возможна выработка, а не потребление энергии). Более того, есть все основания полагать, что сделать термоядерный ракетный двигатель будет даже проще, чем наземный реактор: нет проблемы с созданием вакуума, с теплоизоляцией сверхпроводящих магнитов, нет ограничений по габаритам и т. д. Кроме того, выработка двигателем электроэнергии желательна, но вовсе не обязательна, достаточно, чтобы он не слишком много ее потреблял.


Электростатическое удержание

Технарь или гуманитарий: тест на знание физики

Концепцию электростатического удержания ионов легче всего понять на примере установки, называемой «фузором». Её основу составляет сферический сетчатый электрод, на который подаётся отрицательный потенциал. Ускоренные в отдельном ускорителе или полем самого центрального электрода ионы попадают внутрь его и удерживаются там электростатическим полем: если ион стремится вылететь наружу, поле электрода разворачивает его назад. Увы, вероятность столкновения иона с сеткой на много порядков выше, чем вероятность вступить в реакцию синтеза, что делает энергетически выгодную реакцию невозможной. Подобные установки нашли применение лишь в качестве источников нейтронов.
Стремясь совершить сенсационное открытие, многие учёные стремятся видеть синтез везде, где только можно. В прессе многократно возникали сообщения по поводу различных вариантов так называемого «холодного синтеза». Синтез обнаруживали в «пропитанных» дейтерием металлах при протекании через них электрического тока, при электролизе насыщенных дейтерием жидкостей, во время образования в них кавитационных пузырьков, а также в других случаях. Однако большинство из этих экспериментов не имели удовлетворительной воспроизводимости в других лабораториях, а их результаты практически всегда можно объяснить без использования синтеза.
Продолжая «славную традицию», начавшуюся с «философского камня», а затем превратившуюся в «вечный двигатель», многие современные мошенники предлагают уже сейчас купить у них «генератор холодного синтеза», «кавитационный реактор» и прочие «бестопливные генераторы»: про философский камень все уже забыли, в вечный двигатель не верят, а вот ядерный синтез сейчас звучит вполне убедительно. Но, увы, на самом деле таких источников энергии пока не существует (а когда их удастся создать, это будет во всех выпусках новостей). Так что знайте: если вам предлагают купить устройство, вырабатывающее энергию за счёт холодного ядерного синтеза, то вас пытаются просто «надуть»!

По предварительным оценкам, даже при современном уровне техники возможно создание термоядерного ракетного двигателя для полета к планетам Солнечной системы (при соответствующем финансировании). Освоение технологии таких двигателей в десятки раз повысит скорость пилотируемых полетов и даст возможность иметь на борту большие резервные запасы топлива, что позволит сделать полет на Марс не более сложным занятием, чем сейчас работа на МКС. Для автоматических станций потенциально станет доступной скорость в 10% от скорости света, что означает возможность отправки исследовательских зондов к ближайшим звездам и получение научных данных еще при жизни их создателей.

Технарь или гуманитарий: тест на знание физики

Наиболее проработанной в настоящее время считается концепция термоядерного ракетного двигателя на основе инерциального синтеза. При этом отличие двигателя от реактора заключается в магнитном поле, которое направляет заряженные продукты реакции в одну сторону. Второй вариант предполагает использование открытой ловушки, у которой одна из пробок намеренно ослаблена. Истекающая из нее плазма будет создавать реактивную силу.

Термоядерное будущее

Освоение термоядерного синтеза оказалось на много порядков сложнее, чем это казалось вначале. И хотя множество проблем уже решено, оставшихся хватит на несколько ближайших десятилетий напряженного труда тысяч ученых и инженеров. Но перспективы, которые открывают перед нами превращения изотопов водорода и гелия, столь велики, а проделанный путь уже столь значителен, что останавливаться на полпути не имеет смысла. Что бы ни говорили многочисленные скептики, будущее, безусловно, за синтезом.

Статья «Звезды на Земле» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2012).

www.popmech.ru

Термоядерная энергия – Энергия термоядерной реакции синтеза

25 07 2016      greenman       Пока нет комментариев  

Холодно или жарко в нашем мире? На первый взгляд, материя Вселенной не так уж горяча. Дышим мы прохладным воздухом, пьем холодную воду, катаемся по льду, лепим снежки. Нас не греет черное ночное небо. Чтобы согреться, приходится зажигать костры и топить печи. Между тем, подавляющая масса вещества в мире испепеляюще горяча.

Те десятки градусов в ту или другую сторону от точки таяния льда (0 град Ц), в которых мы живем и к которым привыкли, — редкое исключение, крошечный уголок природы. Типичная же, наиболее распространенная температура вещества — это, как ни странно, миллионы, десятки миллионов, даже сотни миллионов градусов. До таких грандиозных температур нагреты звезды. Астрономы доказали, что именно в них сосредоточена львиная доля вещества нашего мира. Вот красноречивый пример. Солнце — ближайшая к нам звезда — раскалено в недрах до 10—13 млн. градусов. А вещества в Солнце в тысячи раз больше, чем во всех планетах солнечной системы.

Что же происходит в жарких глубинах звезд? Какие процессы поддерживают там огромную температуру? Современная наука доказала: там, под ослепительным наружным покровом, непрерывно идут превращения атомных ядер, и это сопровождается колоссальным выделением энергии. Это и есть термоядерная энергия – энергия, выделяющаяся благодаря реакции термоядерного синтеза.

В раскаленном веществе Солнца очень много водорода. Но не обычного газа, а водородной плазмы: она состоит не из целых атомов, а из атомных осколков—ядер и электронов. При колоссальной температуре солнечных глубин частицы водородной плазмы испытывают весьма быстрое и энергичное беспорядочное движение. Ядра при этом с разгона налетают друг на друга. Иногда столкновение бывает таким сильным, что ядра преодолевают взаимное электрическое отталкивание (они ведь все заряжены положительно), тесно сближаются и сливаются воедино. Тогда из двух ядер обычного («легкого») водорода, т. е. из двух протонов, получается ядро тяжелого водорода — дейтрон. Вместе с тем вылетают прочь отходы реакции — электрон и нейтрино. Так в результате реакции синтеза освобождается термоядерная энергия.

Слияние двух протонов — маленький взрыв. Но он сопровождается не разрушением, а созиданием – созданием нового ядра, которое более сложное и тяжелое, чем исходные ядра. Этот взрыв — одна из самых сокровенных тайн природы.

Вот что удивительно. Если бы мы попробовали истолковать синтез дейтрона из прото-нов, руководствуясь только классической физикой, то пришли бы к выводу, что такой синтез невозможен: слишком сильно протоны отталкиваются друг от друга. Тем не менее, на Солнце эти протоны сливаются, а значит, пробивают-таки «непробиваемую» стену электрического отталкивания.

Лишь квантовая механика — наука о микрочастицах и микропроцессах — объяснила, почему это происходит. Квантовая механика выяснила очень характерную для микромира закономерность: многое из того, что в классической физике строго-настрого запрещено, в квантовой механике лишь почти запрещено, т. е. не невозможно, а только очень маловероятно.

Сколько бы ни билась муха об оконное стекло, она никогда не проникнет сквозь него — так утверждает классическая физика, и утверждает совершенно верно, ибо речь идет о событии в мире больших тел, в макромире.

Иначе будет в микромире. Допустим, что муха — это протон, а стекло — непробиваемый барьер электрического поля. В редчайших случаях, с какой-нибудь стомиллиардной «попытки», эта муха — протон — очутится вдруг по ту сторону стекла. И, что примечательно, стекло при этом не будет разбито, в нем не будет проткнуто никакой дырочки. Просто с ничтожной вероятностью происходит почти невероятное событие.

Сущность этого явления — глубочайшая физико-философская проблема, поныне еще не решенная до конца. Ученые сходятся на том, что секрет парадокса скрыт в специфике микрочастиц: это вовсе не предметы, подобные, скажем, бильярдным шарикам, это скорее волновые вероятностные процессы, некий вид взаимодействия на самых нижних этажах всеобъемлющего здания материи.

Выделение термоядерной энергии – невероятно удивительно, поскольку очень маловероятной является сама реакция синтеза. Где-то в недрах Солнца соединяются протоны. О редчайшей случайности такого синтеза можно судить по тому, что даже при температуре и плотности глубин Солнца протон должен проблуждать в среднем 14 млрд. лет, непрерывно сближаясь с другими протонами, пока не произойдет это долгожданное событие — образование дейтрона. Но протонов в глубинах Солнца бесчисленно много, и поэтому все время то тут, то там происходят «чудеса»: в крошечных микровзрывах рождается тяжелый водород. И все новые порции термоядерной энергии освобождаются, вливаясь в звездный жар светила.

Но почему же при синтезе дейтронов выделяется термоядерная энергия? Казалось бы, наоборот, энергия должна поглощаться: из простого строится сложное, на сближение двух упрямо отталкивающихся протонов затрачивается работа.

Да, работа затрачивается, и немалая. Пока протоны сблизятся друг с другом, они полностью затормозятся. Но если к этому моменту они окажутся друг от друга на расстоянии около 10-13 см, вступят в действие могучие силы ядерного притяжения. Протоны как бы «падают» друг на друга, захватывая друг друга в мощные «объятия». В этом «падении» и выделяется термоядерная энергия, так же как, скажем, выделяется энергия при падении метеорита на Землю. Разница в том, что, хотя ядерные силы действуют на очень малом расстоянии, они в миллиарды миллиардов раз больше сил тяготения, поэтому и энергия термоядерного синтеза колоссальна. Она с лихвой окупает работу, затраченную протонами на преодоление электрического отталкивания, и, вырываясь наружу, вливается в величайшее тепловое богатство Солнца.

Одним из фундаментов физики стал сейчас эйнштейновский принцип эквивалентности массы и энергии: масса любого тела, дважды помноженная на скорость света, соответствует энергии этого тела. Поэтому изменение массы тела или системы тел должно сопровождаться либо выделением, либо поглощением энергии. Зная это, нетрудно подсчитать, сколько энергии дает термоядерный синтез дейтрона из протонов.

Масса протона равна 1,007825, значит, два протона имеют массу 2,01565, но масса дей-трона равна 2,01410, т. е. меньше массы двух протонов на 0,00155 (физики эту разность называют дефектом массы). По принципу эквивалентности она соответствует энергии в 0,46 млн. электрон-вольт (электрон-вольт — энергия, которую приобретает электрон, когда он преодолевает разность потенциалов в один вольт). Вот это количество энергии и выделяется при образовании дейтрона.

Слияние протонов — только начало цепочки термоядерных реакций, происходящих в Солнце.

Каждый возникший дейтрон очень скоро (в среднем через 5,7 сек) присоединяет к себе еще один протон, превращаясь в ядро легкого гелия и выделяя энергию 5,5 Мэв. Затем, в среднем через миллион лет, ядра легкого гелия сливаются попарно — тут образуется конечный продукт, ядро обычного гелия. При этом выбрасываются два протона, а энергия выделяется очень значительная — 12,89 Мэв.

Так, через несколько термоядерных реакций, водородные ядра преобразуются в ядра гелия — газа, который ученые сначала обнаружили на Солнце и только потом на Земле. В этой статье указан только главный цикл термоядерного синтеза; есть и другой, в котором участвуют ядра углерода, кислорода, азота. И энергия, освобождающаяся во всех этих превращениях, титанически огромна. Ежесекундно миллионы тонн вещества превращает Солнце в лучистые потоки. Но водород настолько концентрированное ядерное горючее, что за миллион лет Солнце теряет всего лишь миллионную долю своей массы!

Подобные ядерные процессы могут происходить лишь при очень высокой температуре, и названы они термоядерными. Чем выше температура, тем сложнее и тяжелее синтезирующиеся ядра, тем больше выделяется энергии. И именно благодаря термоядерным реакциям так сильно нагрето звездное вещество, пылающее в вечном, неутихающем пожаре.

Поняв жизнь Солнца, разгадав энергетические источники звезд, ученые наметили себе цель: зажечь такой же могучий звездный огонь и на Земле! Воссоздать в земной промышленной установке управляемый, послушный человеческой воле термоядерный процесс. Добиться этого — значит получить практически неиссякаемый источник термоядерной энергии. Ведь водородом наша планета очень богата (этот элемент входит в состав воды). Даже если научиться сжигать в термоядерных реакторах менее распространенный в природе тяжелый водород (на Солнце тяжелый водород воспламе-няется особенно легко), то и тогда каждая кружка обычной воды станет равноценна бочке бензина! Наконец, есть еще одно замечательное термоядерное горючее — так называемый сверхтяжелый водород. В природе его, правда, почти нет, но его можно получать методами современной «алхимии» — в ядерных реакторах из легкого изотопа лития, которого немало в земной коре. Смесь тяжелого водорода и сверхтяжелого будет, видимо, наиболее подходящим горючим для получения термоядерной энергетики будущего. Как же решается эта великая проблема? Сейчас главная задача ученых — устроить «звездную спичку», нагреть вещество до таких сверхвысоких температур, при которых начнется энергетически выгодная термоядерная реакция.

Как рассчитали физики, в земных условиях для этого потребуется куда более высокая температура, чем в недрах Солнца. Причем термоядерное горючее надо «поджечь» без взрыва, иначе процесс выйдет из-под контроля. (Неконтролируемый, неуправляемый ядерный синтез уже осуществлен в водородной бомбе, где соединения изотопов водорода воспламеняются самым грубым способом — взрывом атомной бомбы.)

Проще всего нагреть тело, передав ему тепло от другого тела, нагретого сильнее. Например, вода в чайнике закипает, черпая тепло от более горячего — огня. Специфика нашей задачи заключается в том, что здесь этот простой способ (примененный, кстати, в водородной бомбе) не годится.

При передаче тепла от горячего тела к холодному, беспорядочно движущиеся атомы горячего тела как бы расталкивают атомы тела холодного. Беспорядок здесь готов, он только распространяется (ведь именно хаотическое движение частиц создает нагрев тел, причем средняя его энергия и соответствует температуре).

А если у нас нет заранее данного энергичного беспорядка, которым можно было бы «заразить» холодное вещество, то надо каким-то способом заново создать этот беспорядок. Только так удастся нагреть холодное тело, не имея горячего.Вообразите, что две группы бегунов стремительно несутся навстречу. Вот они столкнулись, перемешались — какая началась толчея, неразбериха! Отличный беспорядок!

Примерно так же физики пытались получить высокую температуру, сталкивая газовые струи большого давления. Действительно, из прямолинейного движения атомов получалось беспорядочное, и температура газа поднималась довольно значительно. Такая система нагрева давала до 10 тыс. градусов, в свое время это был рекорд нагрева вещества в лаборатории: температура получалась выше, чем на поверхности Солнца.

Но это еще очень далеко до температуры прохождения реакции термоядерного синтеза и выделения энергии. Какими мощными ни делали газовые струи, как быстро ни сшибали их, за пределы 10 тыс. градусов не ушли. Происходило это потому, что тепловой беспорядок на редкость «заразителен»: он мгновенно убегает от области максимального нагрева, «заражая» собой газ, расширяющийся во все стороны после столкновения струй.

Система грела окружающую среду, как греет печка воздух в комнате. Она не была изолирована.

 

Вспомним снова Солнце. Этот невероятно горячий шар идеально изолирован от окружающих тел — висит в пустоте мирового пространства и ни с чем не соприкасается. Правда, Солнце отдает тепло своими лучистыми потоками, но они ничтожно малы по сравнению с полной энергией светила.

Значит, если мы хотим изолировать наше искусственное солнце, его надо как-то «подвесить в пустоте», иначе его не удастся как следует разжечь.

Физики нашли путь, как осуществить эту идею. Они воспользовались тем, что компоненты термоядерной реакции при сверхвысокой температуре будут, как и водородное топливо Солнца, не в твердом, не в жидком, не в газообразном, а в плазменном состоянии, поскольку при миллионах градусов, атомы неминуемо расщепятся на ядра и электроны. Но ядра и электроны, как электрически заряженные частицы, подвержены действию электрических и магнитных полей. Это-то свойство плазмы физики и использовали.

Работы над управляемой термоядерной реакцией синтеза начались еще в 50-х годах прошлого века, и на сегодняшний день практически вплотную подошли к созданию энергетически выгодного и надежного термоядерного реактора, производящего, а не потребляющего энергию. Первый термоядерный реактор выглядел как закрытая трубка с электродами в торцах, из которой был тщательно откачан весь воздух.

В нее вводили разреженный газ и через газ пропускали сильный электрический разряд. В газе возникало нечто похожее на молнию — разрядный шнур плазмы. Вокруг шнура, как вокруг любого тока, появляется магнитное поле, силовые линии кото-рого можно изобразить в виде колечек, охватывающих шнур. По мере нарастания тока это поле усиливается, колечки силовых линий сжимаются, стискивая шнур плазмы. В результате плазменные частицы несутся к оси шнура, и там возникает невообразимая толчея заряженных частиц. Это ведет к резкому повышению температуры.

В подобных опытах температуру плазмы удалось поднять примерно до 2 млн. градусов. Так был достигнут новый рекорд наивысшей лабораторной температуры. Но и этого было мало для термоядерной реакции. К тому же разряды получались практически мгновенными, похожими на взрывы, а шнуры плазмы — неустойчивыми, да и не очень хорошо они были изолированы от стенок трубки: концы шнура непосредственно касались электродов, и те отсасывали тепло.

Тогда родилась другая мысль: приготовить не горячую, а холодную плазму, собрать ее в быструю струю и впрыснуть в магнитное поле особой конфигурации, в так называемую магнитную бутылку. Там струя плазмы должна задержаться, частицы ее — запутаться, закружиться. Из прямого, упорядоченного движения частиц создастся хаос, беспорядок, а это-то и требуется, чтобы повысить температуру. Холодная плазма, кстати говоря, знакома всем: это она светится в трубках неоновых рек-лам, работает в газоразрядных и люминесцентных лампах.

Холодную плазму можно в электрическом поле ускорить, собрать в достаточно быструю струю. Сложнее создать магнитную ловушку. Вот в общих чертах принцип ее устройства. Его основа — цилиндрический соленоид, витки которого наложены неравномерно: по-середине цилиндра — реже, у концов — гуще. Когда по катушке течет ток, внутри нее возникает магнитное поле, как в любом электромагните. Из-за неравномерности витков магнитное поле в катушке также неравномерно: у концов оно сильнее, чем на середине. Силовые линии идут подобно волокнам луковицы: сначала густо, потом реже, потом опять густо.

Магнитное поле такой формы и есть простейшая магнитная бутылка. Усиленные краевые области этого поля называются зеркалами или пробками. Электрически заряженные частицы, попавшие в бутылку, могут задержаться в ней, словно рыба в сети. Ведь магнитное поле всегда отклоняет движущийся заряд — искривляет его траекторию. Если поле достаточно сильно, заряженная частица будет, не вылетая из бутылки, двигаться по спирали, как бы наматывая свой путь на силовую линию поля.

А вблизи пробки, где силовые линии сгущены, частица не может пробиться сквозь их чащу (для этого ей нужна была бы дополнительная энергия) и поворачивает обратно; пролетев по спирали к противоположной пробке, частица опять будет отражена и снова направится внутрь бутылки и т. д. Предполагалось, что так можно уловить плазму.

К сожалению, поведение плазмы в магнитной бутылке оказалось значительно сложнее предположенного. Первые же эксперименты показали, что плазма ловится в магнитную ловушку, увы, очень неохотно.

Физически магнитная бутылка, или пробкотрон выглядит так. На прочном высоком фундаменте лежит камера — широкий цилиндр, охваченный крепежными поясами и облицованный текстолитовыми блоками. С обоих торцов цилиндр закрыт, к нему подведены трубы вакуумных насосов. А вокруг цилиндра проложены трубчатые витки обмотки, в них течет охлаждающая вода. Внутри камеры размещены датчики приборов, от них идет множество проводов к пульту управления. К одному из торцов камеры присоединен инжектор плазмы: из него в камеру, где заранее подготовлен вакуум, впрыскивается плазменная струя.

Электрическое питание установки столь обильно, что ее обслуживает специальный энергетический сектор — с трансформаторами, выпрямителями, конденсаторными батареями.

Идет эксперимент. Огромной силы электрические импульсы обрушиваются в обмотку — токи в сотни тысяч ампер. Одновременно электронное автоматическое устройство впрыскивает в камеру струю водородной плазмы.

Годы кропотливой работы потратили ученые на опыты в пробкотронах. Изучали особенности плазмы, ее капризы, которые на первых порах выглядели непреодолимыми, не поддающимися никакому укрощению. Эфемерное облачко плазмы было неустойчивым и существовало миллионные доли секунды. Плазма не держалась в ловушке, касалась стенок камеры и неминуемо гибла.

И все-таки опыт накапливался. Наряду с бесчисленными наблюдениями велись теоретические исследования. Предлагались новые режимы воздействия на плазму, новые структуры обмоток и магнитных полей в ловушке. И мало-помалу упорство ученых начало побеждать.

В 1962 г. в Институте атомной энергии пробкотрон снабдили дополнительной продольной стабилизирующей обмоткой, и водородную плазму удалось нагреть до сверхзвездной температуры —40—50 млн. градусов. Особенно ценно то, что такая горячая плазма была задержана в ловушке на тысячные, даже на сотые доли секунды. Жизнь плазмы удлинили таким образом в сотни тысяч раз, вплотную подойдя к получению энергии термоядерного синтеза. Правда, плотность нагретой плазмы была сравнительно небольшой — 1010 частиц на 1 см3.

Затем последовали новые успехи. Стремясь постичь тонкие свойства плазмы, физики далеко продвинули теоретические исследования этого своеобразного состояния вещества.

На службу удалось поставить так называемые коллективные взаимодействия в плазме, т.е. взаимные влияния ее сгущений, комков, неоднородностей, в тот короткий период, когда в ней еще не произошли парные столкновения частиц.

В Институте атомной энергии правели, например, такой эксперимент. В магнитную ловушку впрыснули встречные потоки холодной плазмы. В момент, когда они пронзили друг друга, на них обрушили мощный и очень короткий удар магнитного поля. Непосредственно на ядра этот удар почти не подействовал: они слишком массивны. Зато в электронных потоках тотчас нарушилась однородность, возникли вихри, «толпы» частичек. От электронов это групповое хаотическое движение тут же передалось ядрам, и их температура подскочила до десятков миллионов градусов.

Так, в сравнительно небольшой лабораторной установке плазму удалось нагреть обходным путем, используя коллективные взаимодействия. При этом с пользой применили ту самую склонность к неустойчивости, которая в других аппаратах обычно разрушала плазменное облачко.

Иначе поступили ученые Института ядерной физики Сибирского отделения Академии наук в Новосибирске. На плазму, пойманную пробкотроном, они обрушили такой сильный и резкий удар магнитного поля, что в плазме произошло опрокидывание ударной волны. Получилось нечто похожее на морской бурун. Примерно так же опрокидываются крутые водяные волны, образуя пенистые гребни — барашки, в которых частицы беспорядочно мечутся в разные стороны. В результате опрокидывания ударной волны температура ядер в плазме тяжелого водорода (плотностью 1013 частиц на 1 см3) поднялась до рекордной величины — 100 млн. градусов. На десятки микросекунд в установке зажглась физическая термоядерная реакция синтеза. Она заявила о себе ней-тронами, освободившимися при «звездном» синтезе ядер легкого гелия. В физической лаборатории на мгновение вспыхнула искра искусственного солнца!

Однако, не смотря на то, что уже несколько десятилетий ученые разных стран зажигают в реакторах маленькие «солнца», лабораторные реакции не дают пока ни джоуля энергии, наоборот, они ее довольно жадно поглощают. Чтобы возбудить энергетически выгодный термоядерный процесс (с положительным выделением энергии), ядра в плазме тяжелого водорода (плотностью 1014—1015 частиц на 1 см3) нужно экономно нагреть до 500 миллионов и даже до миллиарда градусов и удержать в течение секунды. Эти требования варьируются: при большей плотности плазмы ее температура и время удержания могут быть уменьшены. Однако невозможно достичь цели, если, скажем, заботиться только о повышении температуры. Задача должна быть решена комплексно.

Даже при исполнении всех этих требований, остаются еще и другие технические трудности. Нужно создавать гигантские (в сотни тысяч эрстед) магнитные поля, высокий вакуум в достаточном объеме (ведь термоядерное горючее в сотни миллионов раз разреженнее комнатного воздуха), получать жаропрочные, но не загрязняющие вакуум материалы для внутренних частей камер и т. п. Таким образом, энергетически выгодный реактор термоядерного синтеза – это результат работы на стыке множества наук и направлений научной мысли.

Исследования проводились не только в пробкотронах. Были поставлены опыты в так называемых тороидальных камерах. Там плазма находится в кольцевой трубе, вроде полого бублика, и представляет собой как бы замкнутый виток мощного понижающего трансформатора. Раскаляется она мощным импульсом электрического тока.

Есть камеры, где плазма, схваченная в магнитную ловушку, резко сжимается нарастающим магнитным полем; тогда она нагревается по тому же закону, по которому греется воздух под поршнем велосипедного насоса. Есть камеры и в форме восьмерки и другие сложные конструкции. Они тоже дают надежду получить устойчивую горячую плазму.

Несмотря на огромные трудности (и принципиальные и технические), физики и инженеры уверенно продвигаются по пути к искусственному солнцу.

Промышленный, управляемый термоядерный реактор будет самой замечательной энергетической установкой из всех изобретенных человеком. Научившись «сжигать воду» в искусственном солнце, мы получим источник топлива, равноценный 500 океанам, в которых вместо воды была бы нефть! Трудно даже вообразить себе, к какому бурному прогрессу приведет это индустрию, сельское хозяйство, науку. Получив изобилие термоядерной энергии, человек сможет осуществить самые дерзкие мечты, вплоть до кардинального преобразования Земли, ее природы, ее климата. Всюду, где потребуется, люди пошлют воду в пустыни, согреют холодные моря, осушат болота, обнажат запасы полезных ископаемых.

Сказочное энергетическое богатство откроет новую эру в истории, эру невиданного изобилия и поистине фантастического умножения человеческого могущества.


Просто о сложном – Термоядерная энергия

  • Галерея изображений, картинки, фотографии.
  • Энергия термоядерной реакции энергия термоядерного синтеза – основы, возможности, перспективы, развитие.
  • Интересные факты, полезная информация.
  • Зеленые новости – Энергия термоядерной реакции энергия термоядерного синтеза.
  • Ссылки на материалы и источники – Термоядерная энергия.

greensource.ru

Термоядерный реактор ITER — Мастерок.жж.рф — LiveJournal

Давно trudnopisaka просил сделать пост про строящийся термоядерный реактор. Узнать интересные подробности технологии, выяснить, почему этот проект так долго реализуется. Вот наконец собрал материал. Давайте познакомимся с подробностями проекта.

С чего все это началось. «Энергетический вызов» возник в результате сочетания трех следующих факторов:

1. Человечество сейчас потребляет огромное количество энергии.

В настоящее время потребление энергии в мире составляет около 15,7 тераватт (ТВт). Разделив эту величину на население планеты, мы получим примерно 2400 ватт на человека, что можно легко оценить и представить. Потребляемая каждым жителем Земли (включая детей) энергия соответствует круглосуточной работе 24 стоваттных электрических ламп. Однако потребление этой энергии по планете является очень неравномерным, так как оно очень велико в нескольких странах и ничтожно в других. Потребление (в пересчете на одного человека) равно 10,3 кВт в США (одно из рекордных значений), 6,3 кВт в Российской Федерации, 5,1 кВт в Великобритании и т. д., но, с другой стороны, оно равно лишь 0,21 кВт в Бангладеше (всего 2% от уровня энергопотребления в США!).

По прогнозу Международного агентства по энергетике (2006 год) мировое потребление энергии к 2030 году должно увеличиться на 50%. Развитые страны, конечно, могли бы прекрасно обойтись без дополнительной энергии, однако этот рост необходим для того, чтобы избавить от нищеты население развивающихся стран, где 1,5 миллиарда человек испытывают острую нехватку электрической энергии.


3. В настоящее время 80% потребляемой миром энергии создается за счет сжигания ископаемых природных топлив (нефть, уголь и газ), использование которых:
а) потенциально несет опасность катастрофических экологических изменений;
б) неизбежно должно когда-нибудь закончиться.

Из сказанного ясно, что уже сейчас мы должны готовиться к окончанию эпохи использования ископаемых типов горючего


В настоящее время на атомных электростанциях в широких масштабах получают энергию, выделяющуюся при реакциях деления атомных ядер. Следует всячески поощрять создание и развитие таких станций, однако при этом необходимо учитывать, что запасы одного из важнейших для их работы материала (дешевого урана) также могут быть полностью израсходованы в течение ближайших 50 лет. Возможности основанной на делении ядер энергетики могут (и должны) быть существенно расширены за счет использования более эффективных энергетических циклов, позволяющих почти вдвое увеличить количество получаемой энергии. Для развития энергетики в этом направлении требуется создавать реакторы на тории (так называемые ториевые бридерные реакторы или реакторы-размножители), в которых при реакции возникает больше тория, чем исходного урана, в результате чего общее количество получаемой энергии при заданном количестве вещества возрастает в 40 раз. Перспективным представляется также создание плутониевых бридеров на быстрых нейтронах, которые значительно эффективнее урановых реакторов и позволяют получать в 60 раз больше энергии. Возможно, для развития этих направлений понадобится разработать новые, нестандартные методы получения урана (например, из морской воды, что представляется наиболее доступным).

Термоядерные электростанции

На рисунке представлена принципиальная схема (без соблюдения масштаба) устройства и принципа работы термоядерной электростанции. В центральной части располагается тороидальная (в форме бублика) камера объемом ~2000 м3, заполненная тритий-дейтериевой (T–D) плазмой, нагретой до температуры выше 100 M°C. Образующиеся при реакции синтеза (1) нейтроны покидают «магнитную бутылку» и попадают в показанную на рисунке оболочку с толщиной около 1 м.


Внутри оболочки нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития:

нейтрон + литий → гелий + тритий

Кроме этого в системе происходят и конкурирующие реакции (без образования трития), а также много реакций с выделением дополнительных нейтронов, которые затем также приводят к образованию трития (при этом выделение дополнительных нейтронов может быть существенно усилено, например, за счет введения в оболочку атомов бериллия и свинца). Общий вывод состоит в том, что в этой установке может (по крайней мере, теоретически) происходить реакция ядерного синтеза, при которой будет образовываться тритий. При этом количество образующегося трития должно не только обеспечивать потребности самой установки, но и быть даже несколько большим, что позволит обеспечивать тритием и новые установки. Именно эта концепция работы должна быть проверена и реализована на описываемом ниже реакторе ITER.

Кроме этого нейтроны должны разогревать оболочку в так называемых пилотных установках (в которых будут использоваться относительно «обычные» конструкционные материалы) примерно до температуры 400°C. В дальнейшем предполагается создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000°C, что может быть достигнуто за счет использования новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). Выделяющееся в оболочке тепло, как и в обычных станциях, отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем (содержащим, например, воду или гелий) и передается на вторичный контур, где и производится водяной пар, подающийся на турбины.

1985 год – Советский Союз предложил установку «Токамак» следующего поколения, используя опыт четырех ведущих стран по созданию термоядерных реакторов. Соединенные Штаты Америки совместно с Японией и Европейским сообществом выдвинули предложение по осуществлению проекта.

В настоящее время во Франции идет строительство описываемого ниже международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Tokamak Experimental Reactor), который будет первым токамаком, способным «зажечь» плазму.

В наиболее передовых существующих установках типа токамак давно достигнуты температуры порядка 150 M°C, близкие к значениям, требуемым для работы термоядерной станции, однако реактор ITER должен стать первой крупномасштабной энергетической установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. В дальнейшем необходимо будет существенно улучшить параметры ее работы, что потребует, в первую очередь, повышения давления в плазме, так как скорость слияния ядер при заданной температуре пропорциональна квадрату давления. Основная научная проблема при этом связана с тем, что при повышении давления в плазме возникают очень сложные и опасные неустойчивости, то есть нестабильные режимы работы.


Зачем нам это надо?

Основное преимущество ядерного синтеза состоит в том, что в качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество весьма распространенных в природе веществ. Реакция ядерного синтеза в описываемых установках может приводить к выделению огромного количества энергии, в десять миллионов раз превышающего стандартное тепловыделение при обычных химических реакциях (типа сжигания ископаемого топлива). Для сравнения укажем, что количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 гигаВатт (ГВт) составляет 10 000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма смеси D+T.

Дейтерий является устойчивым изотопом водорода; примерно в одной из каждых 3350 молекул обычной воды один из атомов водорода замещен дейтерием (наследие, доставшееся нам от Большого Взрыва). Этот факт позволяет легко организовать достаточно дешевое получение необходимого количества дейтерия из воды. Более сложным является получение трития, который является нестабильным (период полураспада около 12 лет, вследствие чего его содержание в природе ничтожно), однако, как было показано выше, тритий будет возникать прямо внутри термоядерной установки в процессе работы, за счет реакции нейтронов с литием.

Таким образом, исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода. Литий представляет собой обычный металл, широко используемый в бытовых приборах (в батарейках для мобильных телефонов и т. п.). Описанная выше установка, даже с учетом неидеальной эффективности, сможет производить 200 000 кВт/час электрической энергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарейке для компьютера, а количество дейтерия — в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчете на одного человека) в странах ЕС за 30 лет. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без выбросов CO2 и без малейшего загрязнения атмосферы), является достаточно серьезным аргументом для быстрейшего и энергичного развития термоядерной энергетики (несмотря на все сложности и проблемы) и даже без стопроцентой уверенности в успехе таких исследований.

Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, мы можем добывать его из воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации (в 100 раз превосходящей концентрацию урана), чтобы его добыча была экономически целесообразной.



Экспериментальный термоядерный реактор (International thermonuclear experimental reactor) сооружается вблизи города Кадараш во Франции. Главная задача проекта ИТЭР — осуществление управляемой термоядерной реакции синтеза в промышленных масштабах.

На единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании такого же количества органического топлива, и примерно в сто раз больше, чем при расщеплении ядер урана в реакторах ныне действующих АЭС. Если расчеты ученых и конструкторов оправдаются, это даст человечеству неисчерпаемый источник энергии.

Поэтому ряд стран (Россия, Индия, Китай, Корея, Казахстан, США, Канада, Япония, страны Евросоюза) объединили свои усилия в создании Международного термоядерного исследовательского реактора – прообраза новых энергетических установок.

ИТЭР представляет из себя установку, создающую условия для синтеза атомов водорода и трития (изотопа водорода), в результате чего образуется новый атом – атом гелия. Этот процесс сопровождается громадным выплеском энергии: температура плазмы, в которой идет термоядерная реакция — около 150 млн градусов по Цельсию (для сравнения – температура ядра Солнца 40 млн градусов). При этом изотопы выгорают, практически не оставляя радиоактивных отходов.
Схема участия в международном проекте предусматривает поставки компонентов реактора и финансирование его строительства. В обмен на это каждая из стран-участниц получает полный доступ ко всем технологиям создания термоядерного реактора и к результатам всех экспериментальных работ на этом реакторе, которые послужат основой для проектирования серийных энергетических термоядерных реакторов.

Реактор, основанный на принципе термоядерного синтеза, не имеет радиоактивного излучения и полностью безопасен для окружающей среды. Он может быть расположен практически в любой точке земного шара, а топливом для него служит обычная вода. Строительство ITER должно продлиться около десяти лет, после чего реактор предполагается использовать в течение 20 лет.


Кликабельно 4000 рх

Интересы России в Совете Международной организации по строительству термоядерного реактора ИТЭР в ближайшие годы будет представлять член-корреспондент РАН Михаил Ковальчук — директор РНЦ «Курчатовский институт», Института кристаллографии РАН и ученый секретарь президентского Совета по науке, технологиям и образованию. Ковальчук временно заменит на этом посту академика Евгения Велихова, который избран на ближайшие два года председателем международного совета ИТЭР и не имеет права совмещать эту должность с обязанностями официального представителя страны-участника.

Общая стоимость строительства оценивается в 5 миллиардов евро, еще столько же потребуется для опытной эксплуатации реактора. Доли Индии, Китая, Кореи, России, США и Японии составляют приблизительно по 10 процентов от общей стоимости, 45 процентов приходится на страны Европейского союза. Однако пока европейские государства не договорились, как именно расходы будут распределены между ними. Из-за этого начало строительства перенесено на апрель 2010 года. Несмотря на очередную отсрочку, ученые и чиновники, вовлеченные в создание ИТЭР, утверждают, что смогут завершить проект к 2018 году.

Расчетная термоядерная мощность ИТЭР составляет 500 мегаватт. Отдельные детали магнитов достигают веса от 200 до 450 тонн. Для охлаждения ИТЭР потребуется 33 тысячи кубометров воды в день.

В 1998 году США прекратили финансирование своего участия в проекте. После того, как к власти в стране пришли республиканцы, а в Калифорнии начались веерные отключения электроэнергии, администрация Буша объявила об увеличении вложений в энергетику. Участвовать в международном проекте США не намеревались и занимались собственным термоядерным проектом. В начале 2002 года советник президента Буша по технологиям Джон Марбургер III заявил, что США передумали и намерены вернуться в проект.

Проект по числу участников сравним с другим крупнейшим международным научным проектом – Международной космической станции. Стоимость ИТЭР, прежде достигавшая 8 миллиардов долларов, потом составила менее 4 миллиардов. В результате выхода из числа участников Соединенных Штатов было решено уменьшить мощность реактора с 1,5 ГВт до 500 МВт. Соответственно «похудела» и цена проекта.

В июне 2002 года в российской столице прошел симпозиум «Дни ИТЭР в Москве». На нем обсуждались теоретические, практические и организационные проблемы возрождения проекта, удача которого способна изменить судьбу человечества и дать ему новый вид энергии, по эффективности и экономичности сравнимый только с энергией Солнца.

В июле 2010 года представители стран-участниц проекта международного термоядерного реактора ITER утвердили его бюджет и сроки строительства на внеочередной встрече, прошедшей во французском Кадараше. Отчет о встрече доступен здесь. 

На прошедшей внеочередной встрече участники проекта утвердили срок начала первых экспериментов с плазмой — 2019 год. Проведение полноценных опытов запланировано на март 2027 года, хотя руководство проекта попросило технических специалистов попытаться оптимизировать процесс и начать опыты в 2026 году. Участники встречи также определились с затратами на строительство реактора, однако суммы, которые планируется потратить на создание установки, не разглашаются. По информации, полученной редактором портала ScienceNOW из неназванного источника, к моменту начала экспериментов стоимость проекта ITER может составить 16 миллиардов евро.

Прошедшая в Кадараше встреча также стала первым официальным рабочим днем для нового директора проекта, японского физика Осаму Мотодзима (Osamu Motojima). До него проектом с 2005 года руководил японец Канаме Икеда (Kaname Ikeda), который пожелал оставить пост сразу после утверждения бюджета и сроков строительства.

Термоядерный реактор ITER является совместным проектом государств Евросоюза, Швейцарии, Японии, США, России, Южной Кореи, Китая и Индии. Идея создания ITER рассматривается с 80-х годов прошлого века, однако из-за финансовых и технических сложностей стоимость проекта все время растет, а дата начала строительства постоянно откладывается. В 2009 году специалисты рассчитывали, что работы по созданию реактора начнутся в 2010 году. Позже эту дату передвинули, а в качестве времени запуска реактора назывался сначала 2018, а потом 2019 год.

Реакции термоядерного синтеза — это реакции слияния ядер легких изотопов с образованием ядра более тяжелого, которые сопровождаются огромным выбросом энергии. В теории в термоядерных реакторах можно получать много энергии с низкими затратами, но на данный момент ученые тратят намного больше энергии и денег на запуск и поддержание реакции синтеза.


Термоядерный синтез – это дешевый и экологически безопасный способ добычи энергии. На Солнце уже миллиарды лет происходит неуправляемый термоядерный синтез – из тяжелого изотопа водорода дейтерия образуется гелий. При этом выделяется колоссальное количество энергии. Однако на Земле люди пока не научились управлять подобными реакциями.

В качестве топлива в реакторе ИТЭР будут использоваться изотопы водорода. В ходе термоядерной реакции энергия выделяется при соединении легких атомов в более тяжелые. Чтобы добиться этого, необходимо разогреть газ до температуры свыше 100 миллионов градусов – намного выше температуры в центре Солнца. Газ при такой температуре превращается в плазму. Атомы изотопов водорода при этом сливаются, превращаясь в атомы гелия с выделением большого количества нейтронов. Электростанция, работающая на этом принципе, будет использовать энергию нейтронов, замедляемых слоем плотного вещества (лития).



Почему создание термоядерных установок столь затянулось?

Почему же столь важные и ценные установки, преимущества которых обсуждаются почти полстолетия, еще не созданы? Существуют три основные причины (рассматриваемые ниже), первую из которых можно назвать внешней или общественной, а две остальные — внутренними, то есть обусловленными законами и условиями развития самой термоядерной энергетики.

1. Долгое время считалось, что проблема практического использования энергии термоядерного синтеза не требует срочных решений и действий, так как еще в 80-х годах прошлого столетия источники ископаемого топлива казались неистощимыми, а проблемы экологии и изменения климата не волновали общественность. В 1976 году Консультативный комитет по термоядерной энергии в Министерстве энергетики США попытался оценить сроки осуществления НИОКР и создания демонстрационной термоядерной энергетической установки при разных вариантах финансирования исследований. При этом обнаружилось, что объемы годичного финансирования исследований в данном направлении совершенно недостаточны, и при сохранении существующего уровня ассигнований создание термоядерных установок никогда не завершится успехом, поскольку выделяемые средства не соответствуют даже минимальному, критическому уровню.

2. Более серьезное препятствие на пути развития исследований в данной области состоит в том, что термоядерную установку обсуждаемого типа нельзя создать и продемонстрировать в малых размерах. Из представленных далее объяснений станет ясно, что для термоядерного синтеза необходимо не только магнитное удержание плазмы, но и достаточный ее нагрев. Отношение затрачиваемой и получаемой энергии возрастает, по меньшей мере, пропорционально квадрату линейных размеров установки, вследствие чего научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на достаточно крупных станциях, типа упоминавшегося реактора ITER. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не было достаточной уверенности в успехе.

3. Развитие термоядерной энергетики носило очень сложный характер, однако (несмотря на недостаточное финансирование и трудности выбора центров для создания установок JET и ITER) в последние годы наблюдается явный прогресс, хотя действующая станция еще не создана.


Современный мир стоит перед очень серьезным энергетическим вызовом, который более точно можно назвать «неопределенным энергетическим кризисом». Проблема связана с тем, что запасы ископаемых горючих веществ могут иссякнуть уже во второй половине текущего столетия. Более того, сжигание ископаемых топлив может привести к необходимости каким-то образом связывать и «сохранять» выпускаемый в атмосферу углекислый газ (упомянутая выше программа CCS) для предотвращения серьезных изменений в климате планеты.

В настоящее время почти вся потребляемая человечеством энергия создается сжиганием ископаемых топлив, а решение проблемы может быть связано с использованием солнечной энергии или ядерной энергетики (созданием реакторов-размножителей на быстрых нейтронах и т. п.). Глобальная проблема, обусловленная ростом населения развивающихся стран и их потребностью в повышении уровня жизни и увеличении объема производимой энергии, не может быть решена только на основе рассматриваемых подходов, хотя, конечно, следует поощрять любые попытки развития альтернативных методов выработки энергии.

Собственно говоря, у нас небольшой выбор стратегий поведения и развитие термоядерной энергетики является исключительно важным, даже несмотря на отсутствие гарантии успеха. Газета Financial Times (от 25.01.2004) писала по этому поводу:

Цитата:

«Даже в том случае, если расходы на проект ITER значительно превысят исходную смету, вряд ли они достигнут уровня 1 миллиарда долларов в год. Такой уровень затрат следует считать весьма скромной платой за вполне разумную возможность создать новый источник энергии для всего человечества, особенно с учетом того, что уже в этом веке нам неизбежно придется расстаться с привычкой расточительно и безрассудно сжигать ископаемые виды топлива».

Будем надеяться на то, что никаких крупных и неожиданных сюрпризов на пути развития термоядерной энергетики не будет. В этом случае примерно через 30 лет мы сумеем впервые подать электрический ток от нее в энергетические сети, а еще через 10 с небольшим лет начнет работать первая коммерческая термоядерная электростанция. Возможно, что во второй половине нашего столетия энергия ядерного синтеза начнет заменять ископаемые топлива и постепенно станет играть всё более важную роль в обеспечении человечества энергией в глобальном масштабе.

Нет абсолютной гарантии, что задача создания термоядерной энергетики (в качестве эффективного и крупномасштабного источника энергии для всего человечества) завершится успешно, но вероятность удачи в этом направлении достаточно высока. Учитывая огромный потенциал термоядерных станций, можно считать оправданными все затраты на проекты их быстрого (и даже ускоренного) развития, тем более, что эти капиталовложения выглядят весьма скромными на фоне чудовищного по объему мирового энергетического рынка (4 триллиона долларов в год8). Обеспечение потребностей человечества в энергии является очень серьезной проблемой. По мере того, как ископаемое топливо становится всё менее доступным (помимо этого, его использование становится нежелательным), ситуация изменяется, и мы просто не можем позволить себе не развивать термоядерную энергетику.

На вопрос «Когда появится термоядерная энергетика?» Лев Арцимович (признанный пионер и лидер исследований в этой области) как-то ответил, что «она будет создана, когда станет действительно необходимой человечеству»

ИТЭР станет первым термоядерным реактором, который будет вырабатывать больше энергии, чем потреблять. Ученые измеряют эту характеристику с помощью простого коэффициента, который они называют «Q». Если ИТЭР позволит достичь всех поставленных научных целей, то он будет производить в 10 раз больше энергии, чем потреблять. Последнее из построенных устройств — «Совместный европейский тор» в Англии — является более мелким прототипом термоядерного реактора, который на окончательном этапе научных исследования достиг значения Q, равного почти 1. Это означает, что он вырабатывал ровно столько же энергии, сколько потреблял. ИТЭР позволит превзойти этот результат, продемонстрировав создание энергии в процессе термоядерного синтеза и достигнув значения Q, равного 10. Идея заключается в том, чтобы при объеме потребления энергии на уровне примерно 50 МВт вырабатывать 500 МВт. Таким образом, одной из научных целей ИТЭР является доказать, что может быть достигнуто значение Q, равное 10.

Другая научная цель заключается в том, что ИТЭР будет иметь весьма продолжительное время «горения» — импульс увеличенной длительности до одного часа. ИТЭР — это научно-исследовательский экспериментальный реактор, который не может производить энергию постоянно. Когда ИТЭР начнет работать, он будет включен в течение одного часа, после чего его необходимо будет отключить. Это важно потому, что до сих пор создаваемые нами типовые устройства были способны иметь время горения длиной в несколько секунд или даже десятых долей секунд — это максимум. «Совместный европейский тор» достиг своего значения Q, равного 1, при времени горения примерно две секунды при длине импульса 20 секунд. Но процесс, который длится несколько секунд, не является по-настоящему постоянным. По аналогии с запуском двигателя автомобиля: кратковременное включение двигателя с последующим выключением — это еще не настоящая эксплуатация автомобиля. Только когда вы проедете на вашем автомобиле в течение получаса, он выйдет на постоянный режим работы и продемонстрирует, что на таком автомобиле действительно можно ехать.

То есть, с технической и научной точек зрения, ИТЭР обеспечит значение Q, равное 10, и увеличенное время горения.


Программа термоядерного синтеза носит поистине международный, широкий характер. Люди уже сейчас рассчитывают на успех ИТЭР и думают о следующем шаге — создании прототипа промышленного термоядерного реактора под названием ДЕМО. Чтобы построить его, необходимо, чтобы ИТЭР работал. Мы должны достичь наших научных целей, потому что это будет означать, что выдвигаемые нами идеи вполне осуществимы. Тем не менее, я согласен с тем, что всегда следует думать о том, что будет дальше. Кроме того, в процессе эксплуатации ИТЭР в течение 25-30 лет наши знания постепенно углубятся и расширятся, и мы сможем более точно наметить наш следующий шаг.

Действительно, споров о том, должен ли ИТЕР быть именно токамаком, не возникает. Некоторые ученые ставят вопрос совсем иначе: должен ли ИТЕР быть? Специалисты в разных странах, развивающие собственные, не столь масштабные термоядерные проекты, утверждают, что такой большой реактор вовсе не нужен.

Впрочем, их мнение вряд ли стоит считать авторитетным. В создании ИТЕР были задействованы физики, работающие с тороидальными ловушками уже несколько десятков лет. В основу устройства экспериментального термоядерного реактора в Карадаше легли все знания, полученные в ходе экспериментов на десятках токамаков-предшественников. И эти результаты говорят о том, что реактор обязательно должен токамаком, причем большим.

JET На данный момент самым успешным токамаком можно считать JET, построенный ЕС в британском городке Эбингдоне. Это самый крупный из созданных на сегодня реакторов типа токамак, большой радиус плазменного тора 2,96 метров. Мощность термоядерной реакции достигает уже более 20 мегаватт при времени удержания до 10 секунд. Реактор возвращает около 40% от вложенной в плазму энергии.

Именно физика плазмы определяет энергобаланс, — рассказал Infox.ru Игорь Семенов. Что такое энергобаланс, доцент МФТИ описал на простом примере: «Все мы видели, как горит костер. На самом деле там не дрова горят, а газ. Энергетическая цепочка там вот какая: горит газ, греет дрова, дрова испаряются, опять горит газ. Поэтому, если мы плеснем в огонь воды, то мы резко заберем из системы энергию на фазовый переход жидкой воды в парообразное состояние. Баланс станет отрицательным, костер погаснет. Есть и другой способ – мы просто можем взять и головешки разнести в пространстве. Костер тоже погаснет. Точно также и в термоядерном реакторе, который мы строим. Размеры выбраны так, чтобы создать для данного реактора соответствующий положительный энергобаланс. Достаточный, чтобы в будущем построить настоящую ТЯЭС, решив на данном, экспериментальном этапе все проблемы, которые на данный момент остаются нерешенными».

Размеры реактора однажды менялись. Это произошло на рубеже XX-XXI века, когда США вышли из проекта, а оставшиеся члены поняли, что бюджет ИТЕР (к тому моменту он оценивался в 10 миллиардов долларов США) слишком велик. От физиков и инженеров потребовали уменьшить стоимость установки. А сделать это можно было только за счет размеров. Руководил «перепроектированием» ИТЕР французский физик Роберт Аймар (Robert Aymar), который прежде работал на французском токамаке Tore Supra в Карадаше. Внешний радиус плазменного тора был сокращен с 8,2 до 6,3 метра. Впрочем, риски, связанные с уменьшением размера, отчасти компенсировали несколько дополнительных сверхпроводящих магнитов, которые позволили реализовать открытый и исследованный на тот момент режим удержания плазмы.


источник
http://ehorussia.com
http://oko-planet.su

masterok.livejournal.com

Термоядерный синтез – бесконечная энергия

Управляемый термоядерный синтез (УТС) – одна из самых ожидаемых технологий, надо которой работают учёные во всём мире. Возможно, именно она раз и навсегда решит энергетическую проблему в масштабах планеты. И в разработке этой технологии одну из самых заметных ролей играет Институт ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН, который находится в Академгородке Новосибирска. 

Что такое УТС?

Ядра всех атомов состоят из нуклонов (нейтроны и протоны). Они скреплены друг с другом силой, которая в физике называется термином «сильное взаимодействие». Причём, чем больше нуклонов в ядре, тем слабее это сильное взаимодействие.

Если объяснять «на пальцах», то термоядерный синтез – это реакция, при которой количество нуклонов в ядре атома увеличивается. Причём тут продолжает действовать закон сохранения энергии. При увеличении количества нуклонов уменьшается энергия их сильного взаимодействия, но эта энергия не исчезает в никуда – она выделяется в виде тепла.

Выходит, можно построить реактор, в котором протекает термоядерный синтез, и получать энергию – термоядерный реактор. Но для этого нужно полностью изучить природу термоядерного синтеза и научиться ей управлять. Поэтому и говорят – управляемый термоядерный синтез.

 

Перспективность термоядерного реактора

Термоядерный реактор имеет ряд очевидных преимуществ. Одна из них – практически бесконечное топливо: они будут работать на водороде. Топливо можно получать хоть из обычной морской воды.

Отсюда вытекают и другие плюсы. Один из важнейших – относительная радиационная безопасность. В реакторе будет находиться очень мало радиоактивных веществ. Кроме того, процессы, протекающие в реакторе, не будут слишком бурными, поэтому вероятность аварийного скачка мощности реактора минимальна. Но даже в случае взрыва реактор вряд ли будет разрушен, так что заражение значительной территории от радиоактивных выбросов будет практически исключено.

Более того, отходы термоядерного реактора будут иметь короткий период полураспада, то есть сравнительно быстро перестанут быть опасными. Кроме того, их невозможно будет использовать как компонент для взрывного устройства.

 

Термоядерный реактор с токамаком

Ещё до того, как в Обнинске была построена первая в мире атомная электростанция, в среде учёных уже начались разговоры о принципиально иных реакторах – термоядерных. И уже тогда стали предприниматься попытки представить, как будет выглядеть такой реактор.

В настоящий момент есть несколько разных теоретических систем устройства термоядерного реактора. Но наиболее близка к практической реализации – квазистационарная система. Она основана на тороидальной камере с магнитными катушками (сокращённо – токамак).

Токамак – это такой металлический бублик, в котором при помощи сильнейшего электромагнитного поля с безумно высокой скоростью движется плазма. Плазма разогревается до температуры где-то в миллион градусов, и начинается синтез. Остаётся только собирать полученные излишки энергии.

 

Когда построят термоядерный реактор?

Первый экспериментальный токамак был построен в 1954 году в Москве, в Институте атомной энергии имени Курчатова. А уже в 1968 году на токамаке Т-3 прошли первые успешные испытания: учёные смогли нагреть плазму до температуры в 5 миллионов градусов Цельсия и какое-то время её сохранять. Так было положено начало.

В настоящее время в мире построено более 300 токамаков. И если самый первый был диаметром всего 80 сантиметров, то самый современный имеет диаметр уже 16 метров. Этот современный токамак построен для экспериментального прототипа термоядерного реактора ITER (ИТЭР), который находится на юге Франции.

Строительство ИТЭРа

ИТЭР – проект международный, в нём участвуют учёные из десятков стран, включая Россию. Причём системы этого реактора моделировались и отрабатывались под руководством российского физика Василия Андреевича Глухих (кстати, выпускника Томского политеха).

Строится ИТЭР с 2013 года. Предполагаемый срок начала первых экспериментов – 2025 год.

Макет реактора ИТЭР

 

Сибирский вариант термоядерного реактора

Институт ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН– один из ключевых участников разработки ИТЭР от России. Но параллельно с работой над ИТЭР учёные из ИЯФ разрабатывают альтернативный вариант термоядерного реактора. Причём сами учёные отмечают, что их проект направлен на создание коммерчески выгодной термоядерной электростанции, в то время как проект ИТЭР преследует чисто научные цели.

Реактор, который разрабатывают в ИЯФ, работает по иной системе: не по квазистационарной, а импульсной. Эта система на сегодняшний день менее проработана теоретически, но обещает ряд преимуществ перед квазистационарной. Главное, импульсный реактор, как предполагается, будет более простым в инженерном плане, будет эффективнее использовать магнитное поле – другими словами, будет более экономичным. В теории звучит очень заманчиво, и вот сейчас в ИЯФ экспериментально проверяют эти теоретические выкладки.

В импульсной системе вместо токамака используется открытая магнитная ловушка. Концепцию этой ловушки в 1953 году впервые предложил советский физик, основатель ИЯФ Герш Будкер. В ней плазма удерживается с помощью магнитного поля в длинной трубе. ИЯФ на сегодняшний день является мировым лидером по производству открытых магнитных ловушек.

Открытая магнитная ловушка

 

Технологический прорыв

И одна из сложнейших задач при постройке импульсной установки – удержать плазму внутри трубки, чтобы при этом продолжался синтез. В ИЯФ разработали и построили уже целый ряд моделей открытых магнитных ловушек, в которых использовались самые разные варианты решения этой задачи. И вот, похоже, найдено окончательное решение.

Решение заключается в использовании магнитного поля, которое «закручено» в виде винта. Такое магнитное поле одновременно тянет плазму в трубке и вперёд и назад, и в итоге плазма удерживается посередине.

Схема магнитной ловушки с винтовым магнитным полем

Чтобы узнать, действительно ли это решение годится для создания полноценного термоядерного реактора, в конце 2017 года в Новосибирске была запущена экспериментальная установка СМОЛА (Спиральная Открытая Магнитная Ловушка). В данный момент ведутся эксперименты.

СМОЛА, разработанная в Институте ядерной физики Сибирского отделения РАН

Если эксперименты оправдают ожидания новосибирских физиков, то Россия, возможно, станет первой страной, в которой будет построен термоядерный реактор.


Использованы материалы сайтов:
http://news.ngs.ru/
https://www.popmech.ru/
http://promportal.su/
https://lenta.ru/

sib5.com

Все, что нужно знать о термоядерном синтезе

​Ученые Принстонской лаборатории физики плазмы предложили идею самого долговечного устройства для ядерного синтеза, которое сможет работать более 60 лет. В данный момент это трудноосуществимая задача: ученые бьются над тем, чтобы заставить термоядерный реактор проработать в течение нескольких минут — а тут годы. Несмотря на сложность, строительство термоядерного реактора — одна из самых перспективных задач науки, которая может принести огромную пользу. Рассказываем, что нужно знать о термоядерном синтезе.

1. Что такое термоядерный синтез?

Не пугайтесь этого громоздкого словосочетания, на деле все довольно просто. Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции.

В ходе ядерной реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются. Тяжелое атомное ядро может распасться на два-три более легких —  это реакция деления. Существует также реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как известно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положительно —  поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре — порядка нескольких миллионов кельвинов. Именно такие реакции и называются термоядерными.

 

2. Зачем нам термоядерный синтез?

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется  огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях. Но термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ. Поэтому ученые учатся проводить термоядерные реакции. 

Исследования термоядерного синтеза и строительство реакторов позволяют расширить высокотехнологичное производство, которое полезно и в других сферах науки и хай-тека.

3. Какие бывают термоядерные реакции?

Термоядерные реакции делят на самоподдерживающиеся, неуправляемые (используются в водородных бомбах) и управляемые (подходят для мирных целей). 

Самоподдерживающиеся реакции проходят в недрах звезд. Однако на Земле нет условий для проведения таких реакций.

Неуправляемый, или взрывной термоядерный синтез люди проводят давно. В 1952 году в ходе операции «Иви Майк» американцы взорвали первое в мире термоядерное взрывное устройство, которое не имело практической ценности в качестве оружия.  А в октябре 1961 года прошли испытания  первой в мире термоядерной (водородной) бомбы («Царь-бомба», «Кузькина мать»), разработанной советскими учеными под руководством Игоря Курчатова. Это было самое мощное взрывное устройство за всю историю человечества: полная энергия взрыва, по разным данным, составляла от 57 до 58,6 мегатонн в тротиловом эквиваленте. Чтобы взорвать водородную бомбу, необходимо сначала в ходе обычного ядерного взрыва получить высокую температуру — лишь тогда атомные ядра начнут реагировать. 

Мощность взрыва при неуправляемой ядерной реакции очень велика, кроме того, высока доля радиоактивного загрязнения. Поэтому чтобы использовать термоядерную энергию в мирных целях, необходимо научиться ею управлять. 

4. Что нужно для управляемой термоядерной реакции?

Удержать плазму!

Непонятно? Сейчас поясним.

 

Во-первых, атомные ядра.  В ядерной энергетике используются изотопы  —  атомы, отличающиеся друг от друга количеством нейтронов и, соответственно, атомной массой. Изотоп водорода дейтерий (D) добывают из воды. Сверхтяжелый водород или тритий (Т) — радиоактивный изотоп водорода, который является побочным продуктом реакций распада, проводимых на обычных ядерных реакторах. Также в термоядерных реакциях используется легкий изотоп водорода — протий: это единственный  стабильный элемент, не имеющий нейтронов в ядре. Гелий-3 содержится на Земле в ничтожно малых количествах, зато его очень много в лунном грунте (реголите): в 80-х гг НАСА разрабатывало план гипотетических установок по переработке реголита и выделению ценного изотопа. Зато на нашей планете широко распространен другой изотоп — бор-11. 80% бора на Земле — это необходимый ядерщикам изотоп.

Во-вторых, очень высокая температура. Вещество, участвующее в термоядерной реакции, должно представлять собой практически полностью ионизированную плазму — это газ, в котором отдельно плавают свободные электроны и ионы различных зарядов. Чтобы превратить вещество в плазму, необходима температура 107–108 К —  это сотни миллионов градусов Цельсия!  Такие сверхвысокие температуры можно получить путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности.

Однако просто нагреть необходимые химические элементы нельзя.  Любой реактор моментально испарится при таких температурах. Здесь требуется совершенно иной подход. На сегодняшний день удается удерживать плазму на ограниченной территории с помощью сверхмощных электрических магнитов. Но полноценно использовать получаемую в результате термоядерной реакции энергию пока не удается: даже под воздействием магнитного поля плазма растекается в пространстве.

5. Какие реакции наиболее перспективны?

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).

Вот как выглядят самые интересные реакции.

1) 2D+3T -> 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) — реакция дейтерий-тритий. 

2)  2D+2D -> 3T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50% 

2D+2D -> 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50%  — это так называемое монотопливо из дейтерия.

Реакции 1 и 2 чреваты нейтронным радиоактивным загрязнением. Поэтому наиболее перспективны «безнейтронные» реакции. 

3) 2D+3He -> 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)  — дейтерий реагирует с гелием-3. Проблема в том, что гелий-3 чрезвычайно редок. Однако безнейтронный выход делает эту реакцию перспективной.

4) p+11B -> 34He + 8.7 MeV — бор-11 реагирует с протием, в результате получаются альфа-частицы, которые можно поглотить алюминиевой фольгой.

6. Где провести такую реакцию?

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удерживается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не остывает.

На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных установках. 

Импульсные системы.  В таких системах дейтерий и тритий облучают сверхмощными лазерными лучи или пучками электронов/ионов. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов. Однако такие системы невыгодно использовать в промышленных масштабах: на разгон атомов тратится намного больше энергии, чем получается в результате синтеза, так как не все разгоняемые атомы вступают в реакцию. Поэтому многие страны строят квазистационарные системы.

Квазистационарные системы.  В таких реакторах плазма удерживается с помощью магнитного поля при низком давлении и высокой температуре. Существует три типа реакторов, основанных на различных конфигурациях магнитного поля. Это токамаки, стеллараторы (торсатроны) и зеркальные ловушки.

Токамак  расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Это камера в виде «бублика» (тора), на которую намотаны катушки. Главной особенностью токамака является использование переменного электрического тока, который протекает через плазму, нагревает ее и, создавая вокруг себя магнитное поле, удерживает ее. 

 

В стеллараторе (торсатроне) магнитное поле полностью удерживается с помощью магнитных катушек и, в отличие от токамака, может работать постоянно.

В зеркальных (открытых) ловушках используется принцип отражения. Камера с двух сторон закрыта магнитными «пробками», которые отражают плазму, удерживая ее в реакторе. 

 

Долгое время зеркальные ловушки и токамаки боролись за первенство. Изначально концепция ловушки казалась более простой и потому более дешевой.  В начале 60-х годов открытые ловушки обильно финансировались, однако нестабильность плазмы и неудачные попытки удержать ее магнитным полем заставляли усложнять эти установки —  простые на вид конструкции превратились в адские машины, и добиться стабильного результата не выходило. Поэтому в 80-х годах на первый план вышли токамаки.  В 1984 году был запущен европейский токамак JET, стоимость которого составила всего 180 млн долларов и параметры которого позволяли провести термоядерную реакцию. В СССР и Франции проектировали сверхпроводящие токамаки, которые почти не тратили энергию на работу магнитной системы. 

7. Кто сейчас учится проводить термоядерные реакции?

Многие страны строят свои термоядерные реакторы. Свои экспериментальные реакторы есть в Казахстане, Китае, США и Японии. Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. 

Наиболее известен международный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция). Его строительство предполагалось закончить в 2016 году, однако размеры необходимого финансового обеспечения выросли, а сроки экспериментов сдвинулись на 2025 год. В деятельности ИТЭР участвует Евросоюз, США, Китай, Индия, Япония, Южная Корея и Россия. Основную долю в финансировании играет ЕС (45%), остальные участники поставляют высокотехнологичное оборудование. В частности, Россия производит сверхпроводниковые материалы и кабели, радиолампы для нагрева плазмы (гиротроны) и предохранители для сверхпроводящих катушек, а также компоненты для сложнейшей детали реактора — первой стенки, которая должна выдержать электромагнитные силы, нейтронное излучение и излучение плазмы.

8. Почему мы до сих пор не пользуемся термоядерными реакторами?

Современные установки токамак — не термоядерные реакторы, а исследовательские установки, в которых возможно лишь на некоторое время существование и сохранение плазмы. Дело в том, что ученые пока не научились удерживать плазму в реакторе на длительный срок.  

На данный момент одним из самых больших достижений в области ядерного синтеза считается успех немецких ученых, которым удалось нагреть водородный газ до 80 миллионов градусов по Цельсию и поддерживать облако плазмы водорода в течение четверти секунды. А в Китае водородную плазму нагрели до 49.999 миллионов градусов и продержали ее 102 секунды. Российским ученым из ИЯФ (Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера, Новосибирск) удалось добиться стабильного нагрева плазмы до десяти миллионов градусов Цельсия. Однако недавно американцы предложили способ удержания плазмы в течение 60 лет —  и это внушает оптимизм.

Кроме того, ведутся споры относительно рентабельности термоядерного синтеза в промышленности. Неизвестно, покроют ли выгоды от производства электроэнергии затраты на термоядерный синтез. Предлагается экспериментировать с реакциями (например, отказаться от традиционной реакции дейтерий-тритий или монотоплива в пользу других реакций), конструкционными материалами — а то и отказаться от идеи промышленного термоядерного синтеза, используя лишь его для отдельных реакций в реакциях деления. Однако ученые все равно продолжают эксперименты.

9. Безопасны ли термоядерные реакторы?

Относительно. Тритий, который используется в термоядерных реакциях, радиоактивен. Кроме того, нейроны, выделяющиеся в результате синтеза, облучают конструкцию реактора. Сами элементы реактора покрываются радиоактивной пылью из-за воздействия плазмы. 

Тем не менее, термоядерный реактор намного безопасней ядерного реактора в радиационном отношении. Радиоактивных веществ в реакторе относительно мало. Кроме того, сама конструкция реактора предполагает отсутствие «дыр», через которые может просочиться радиация. Вакуумная камера реактора должна быть герметичной, иначе реактор просто не сможет работать. При строительстве термоядерных реакторов применяются испытанные ядерной энергетикой материалы, а в помещениях поддерживается пониженное давление.

www.sib-science.info

Получение термоядерной энергии синтезом в реакторе легких элементов

Когда атом расщепляется на две части, либо путем естественного распада, либо при возбуждении он высвобождает энергию. Этот процесс известен как ядерное деление обладающее большим потенциалом и потребление энергии такого типа сейчас в мире относительно велико. Ядерное деление или распад с выделением энергии имеет ряд связанных проблем в области безопасности, охраны окружающей среды и политики, которые могут препятствовать использованию атомной энергии. Существует и термоядерная энергия выделяемая при помощи синтеза.

Термоядерный синтез – процесс соединения в реакторе легких ядер в большие с помощью теплового метода с положительным выходом энергии.

Определение деления

Атом содержит протоны и нейтроны в своем центральном ядре. При делении ядро расщепляется либо путем радиоактивного распада, либо из-за того, что оно подверглось бомбардировке другими субатомными частицами, известными как нейтрино. Полученные части имеют меньшую комбинированную массу, чем исходное ядро, при этом недостающая масса превращается в ядерную энергию. Контролируемое деление происходит, когда очень легкий нейтрино бомбардирует ядро атома, разбивая его на два меньших, похожих по размеру ядра. Разрушение высвобождает значительное количество энергии — в 200 раз больше энергии нейтронов, которые начали процедуру — а также высвобождает по крайней мере еще два нейтрино.

Контролируемые реакции такого рода используются для высвобождения энергии на атомных электростанциях. Неконтролируемые реакции используются в ядерном оружии.

Радиоактивное деление, где центр тяжелого элемента самопроизвольно испускает заряженную частицу, когда распадается на меньшее ядро, происходит только с тяжелыми элементами.

Разделение отличается от процесса слияния, когда два ядра соединяются друг с другом, а не разделяются друг от друга. Слияние под воздействием температуры – термоядерный синтез.

Открытие атомной энергии

Отто ХанОтто Хан

Отто Хан

В 1938 году немецкие физики Отто Хан и Фриц Штрассман бомбардировали атом урана нейтронами в попытке образовать тяжелые элементы. Но ядро урана распалось на более лёгкие элементы барий и криптон, что значительно меньше, чем уран. Ученые озадачились неожиданными результатами так как открыли расщепление ядра.

Австрийский физик Лиза Мейтнер, бежавшая в Швецию после вторжения Гитлера в ее страну, поняла, что расщепление ядра также освобождает энергию. Работая над этой проблемой, она установила, что деление дает минимум два нейтрона. В конечном счете, другие физики поняли, что каждый вновь освобожденный нейтрон может продолжать вызывать две отдельные реакции, каждая из которых может вызвать по крайней мере еще. Один удар может запустить цепную реакцию, управляя выпуском еще большей энергии.

Энергия и разрушение

В интеллектуальной цепной реакции ученые начали реализовывать возможности, существующие в новом открытии. В письме президенту США Франклину Рузвельту в начале Второй мировой войны, подготовленном венгерским физиком Лео Силардом и подписанном Альбертом Эйнштейном, отмечалось, что такие исследования могли быть использованы для создания бомбы эпических масштабов, и рассматривалась идея о том, что немцы могли достоверно изготовить и использовать такое оружие. Рузвельт выделил деньги на американские исследования и в 1941 году было образовано Управление научных исследований и разработок с целью применения исследований для национальной обороны.

В 1943 году армейская корпорация инженеров взяла на себя исследования по созданию ядерного оружия. Известный как “Манхэттенский проект”, сверхсекретные усилия привели к образованию первой атомной бомбы в июле 1945 года. Атомное оружие было использовано в рамках военного удара по городам Хиросима и Нагасаки в Японии.

С тех пор ядерные исследования считаются чрезвычайно чувствительными в политическом равновесии.

Чаще всего деление используется для генерации энергии на АЭС. Однако процесс создает значительное количество ядерных отходов, которые могут быть опасными для людей и окружающей среды. В то же время люди часто опасаются опасностей, которые могут возникнуть у атомных станций и не хотят, чтобы они находились на их территории. Такие вопросы означают, что ядерная энергия не столь популярна, как более традиционные методы получения энергии, такие как использование ископаемых видов топлива.

Международный термоядерный реактор

Международный термоядерный реактор Международный термоядерный реактор

Строительство международного термоядерного реактора

Первый в мире атомный международный термоядерный реактор в настоящее время достиг 50-процентного завершения и по последней информации будет готов к 2025 году. Эта термоядерная электростанция строится на юге Франции. Управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения поэтому привлекаются ученые многих стран.

Когда он заработает в экспериментальном термоядерном реакторе будет циркулировать плазма, что в 10 раз жарче, чем солнце в межзвездном пространстве.

Основная цель заставить атомы водорода генерировать в 10 раз больше энергии к 2030-м годам. В конечном счете термоядерная энергия призвана доказать, что сила слияния может генерироваться в коммерческих масштабах и является устойчивой, обильной, безопасной и чистой.

Концептуальный проект

Термоядерный синтез, та же реакция, которая происходит в центре Солнца, соединяются атомные ядра, чтобы сформировать более тяжелые ядра. Термоядерный синтез генерирует гораздо больше поток энергии, чем сжигание ископаемого топлива.

Например, в количестве атомов водорода размером с ананас находится столько же энергии, сколько в 10 000 тонн угля, в соответствии с заявлением по проекту международного термоядерного реактора.

В отличие от ядерного деления которое разбивает большие атомы на более мелкие этот термоядерный реактор не будет производить высокий уровень радиоактивных отходов. И в отличие от установок по производству ископаемого топлива, термоядерная энергия слияния не генерирует парниковых газов, углекислого газа или других загрязнителей.

ядерное делениеядерное деление

Ядерное деление

В термоядерном реакторе выделяется энергия при синтезе лёгких ядер (водорода, гелия и лития). Чтоб два ядра водорода (на практике – дейтерия и/или трития, то есть изотопов водорода) сошлись на достаточно близкое расстояние, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание одноименно заряженных ядер, необходимо создать либо огромное давление, либо крайне высокую температуру.

В термоядерном реакторе нет ничего самопроизвольного, поэтому он безопаснее.  Любое неконтролируемое повреждение и исчезают условия, необходимые для термоядерного синтеза.

термоядерная энергиятермоядерная энергия

Термоядерный синтез

Атомный термоядерный реактор использует сверхпроводящие магниты для плавления атомов водорода и получения большого количества тепла. Будущие атомные термоядерные электростанции могут затем использовать эту теплоту для привода турбин и выработки электроэнергии.

Экспериментальный реактор не будет использовать обычные атомы водорода, ядра которых состоят из одного протона. Вместо этого он будет взрывать дейтерий, ядра которого имеют один протон и один нейтрон, с тритием, ядра которых имеют один протон и два нейтрона. Дейтерий легко извлекается из морской воды, а тритий будет сгенерирован внутри термоядерного реактора. Поставки этих видов топлива достаточно велики, достаточно на миллионы лет при нынешнем глобальном потреблении энергии.

И в отличие от реакторов деления, термоядерное синтезирование является очень безопасным: если реакции термоядерного синтеза нарушаются в пределах завода по термоядерному синтезу, термоядерные реакторы просто отключаются безопасно и без необходимости внешней помощи, отметил проект ITER. Теоретически, плавильные установки также используют только несколько граммов топлива одновременно, поэтому нет возможности аварии расплава.

Проблема управляемых термоядерных реакций

Хотя энергия слияния имеет много потенциальных преимуществ, она оказалась чрезвычайно трудной для достижения на Земле. Атомные ядра требуют огромного количества тепла и давления, прежде чем они объединятся.

Чтобы преодолеть эту огромную проблему необходимо нагревать водород примерно до 150 миллионов градусов по Цельсию что, в 10 раз жарче, чем ядро Солнца. Эта перегретая плазма водорода будет ограничена и распространяется внутри в форме под названием токамак, который находится в окружении гигантских сверхпроводящих магнитов, которые управляют электрически заряженной плазмой. Для того, чтобы сверхпроводящие магниты функционировали, их необходимо охлаждать до минус 269 градусов C, также холодно как и в межзвездном пространстве.

Промышленные объекты по всему миру производят 10 миллионов комплектующих для реактора. Реактор часто упоминается как самое сложное инженерное сооружение. Например, магниты высотой более 17 метров должны быть установлены вместе с погрешностью менее 1 миллиметра.

Охлаждение 10 000 тонн сверхпроводящего материала магнита до минус 269 градусов беспрецедентно по масштабу.

ИТЭР международный термоядерный экспериментальный реактор

Научное партнерство из 35 стран строит ИТЭР на юге Франции. Все члены разделяют технологии и они получают равный доступ к интеллектуальной собственности и инновациям которые применяются.

Идея научного партнерства по строительству термоядерного завода была впервые задумана на Женевском саммите 1985 года между Рональдом Рейганом и Михаилом Горбачевым. Проект ИТЭР начался в 2007 году, и изначально должен быть завершиться в 10 лет за 5,6 миллиарда долларов. Однако проект более десяти лет отстает от графика, и его сметная стоимость взлетела примерно до 22 миллиардов долларов.

Риски ИТЭР

В настоящее время ИТЭР находится на полпути к своей первоначальной цели циркуляции плазмы.

Разработчики постоянно работают над прогнозированием и смягчением рисков, которые могут привести к дополнительным задержкам или затратам.

Конечной целью, конечно, является не просто циркулирующая плазма, но и плавление дейтерия и трития для создания “горящей” плазмы, которая генерирует значительно больше энергии, чем поступает в нее. Токамак ИТЭР должен генерировать 500 мегаватт электроэнергии, в то время как коммерческие термоядерные установки будут размещать более крупные реакторы, чтобы генерировать от 10 до 15 раз больше энергии. Согласно планам, 2000-мегаваттный термоядерный завод поставит 2 миллиона домов электричеством..

Если проект окажется успешным, ученые ИТЭР предсказывают, что термоядерные электростанции могут начать выходить в эксплуатацию уже к 2040 году по производству 2 гигаватт и более. Капитальные затраты на строительство АЭС должны быть аналогичны капитальным затратам нынешних АЭС ― около 5 миллиардов долларов за гигаватт. В то же время термоядерные электростанции просто используют дейтерий и тритий, и поэтому избегают “затрат на добычу и обогащение урана, или затрат на уход за радиоактивными отходами и их утилизацию.

Строительство атомной станции синтеза стоит больше, чем строительство станции ископаемого топлива. Цены на ископаемое топливо очень высоки, а расходы на топливо для синтеза незначительны, так что в течение срока службы электростанции расходы будут незначительны.

В то же время ископаемое топливо обходится дорого не только из-за финансовых значений. Огромные затраты на ископаемое топливо связаны с воздействием на окружающую среду, будь то из-за добычи полезных ископаемых, загрязнения окружающей среды или выброса парниковых газов. Синтез углерода – бесплатен.

beelead.com

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о