Кажется, физики только что переписали основополагающее правило для термоядерных реакторов, обещающих миру почти бесконечную энергию.
Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
ИТЭР был разработан для защиты от выброса трития и воздействия радиоактивности на работников. Также стоит учесть активацию внутренних компонентов и плазменной камеры при взаимодействии с нейтронами высокой энергии. Материалы внутри реактора могут быть загрязнены небольшим количеством радиоактивной пыли. Но потенциальные отходы будут обрабатываться, упаковываться и храниться прямо на месте, а период полураспада большинства радиоизотопов, содержащихся в этих отходах, составит менее 10 лет. Таким образом, в течение 100 лет радиоактивность материалов уменьшится настолько, что их можно будет переработать и в дальнейшем использовать на других термоядерных установках. ИТЭР находится в области с умеренной сейсмической активностью, однако строится из специально армированного бетона и опирается на плиты, рассчитанные на землетрясения; сейсмические датчики вокруг площадки контролируют даже незначительную сейсмическую активность.
В дизайн проекта ИТЭР заложены несколько защитных барьеров: корректный выбор надежных современных материалов поможет минимизировать количество отходов будущих термоядерных реакторов; системы активного плазменного отключения, быстрого разряда и отвода тепла, а также сейсмический контроль не допустят аварии; специальная система вентиляции и пониженное давление в здании реактора предотвратят утечку трития и распространение радиоактивной пыли за пределы здания. Академик Арцимович говорил: как только приспичит человечеству, тут же термояд и сделают. Пока, значит, не приспичило. Мой ответ другой: в 2054 году. В 1954 году запустили первую АЭС, а мы любим отмечать юбилеи с размахом.
Термоядерная энергетическая установка будет более безопасной, чем современные ядерные, — нет критмассы. Но хватает своих проблем. Скорее всего, не будет сразу чистого термояда, вначале плазменные термоядерные установки используют как внешний источник нейтронов, который будет нарабатывать топливо из 238U или тория. Эта технология должна быть разработана с учетом современных требований к безопасности ядерных объектов. DEMO: перспективы Если проект ИТЭР покажет перспективные рабочие показатели по достижению, а главное — удержанию «чистой» плазмы, следующим этапом на пути к термоядерному будущему станет строительство промышленного демонстрационного реактора DEMO с запланированной мощностью всей станции около 3 ГВт.
DEMO позволит распахнуть двери в мир промышленной и коммерческой эксплуатации термоядерной энергии. Скептики продолжают задаваться вопросом: а стоит ли овчинка выделки? Очевидно, что вложения и затраты на электроэнергию термоядерных электростанций будут значительно выше вложений в существующие АЭС — несмотря на то что стоимость топлива будет минимальной. Причина — высокая стоимость замены поврежденных ядерных компонентов. Тепловая и нейтронная нагрузки ядерных компонентов будут настолько сильными, что срок службы некоторых ядерных элементов можно будет оценить от 4,5 до 10,5 лет — значительно короче срока службы типичной АЭС 40 лет.
В начальный период эксплуатации это приведет к тому, что цена электроэнергии от термоядерных электростанций будет сопоставима с ценой электроэнергии от солнечных и ветряных станций. При этом производство электроэнергии высокой мощности не будет зависеть от времени года или погоды, и не нужно будет поддерживать резервные ископаемые ресурсы. Для выработки электроэнергии от коммерческого термоядерного синтеза электростанция должна быть проще и бюджетнее, чем ИТЭР. Дизайн компании основан на конфигурации с обратной поляризацией, сочетающей особенности основных термоядерных концепций. В отличие от других устройств термоядерного синтеза, таких как токамак, обратная поляризация обеспечивает топологию магнитного поля, при которой осевое поле внутри реактора изменяется вихревыми токами в плазме.
Корпорация EMC2 Inc. Финансирование проекта по термояду должно отражать эти и иные альтернативные ноу-хау.
Наиболее распространенная конструкция термоядерных реакторов — токамаков — работает за счет перегрева плазмы. Термоядерным реакторам требуются температуры во много раз выше, чем на Солнце, потому что они должны работать при гораздо более низком давлении. Разогреть плазму несложно, но пока не получается найти способ долго удержать ее, чтобы она не прожигала стенки реактора, не нарушая при этом процесс термоядерного синтеза.
При нагревании топливная смесь приходит в состояние полностью ионизированной плазмы, словно в солнечном ядре, где каждую секунду сгорают тонны водорода, также превращаясь в гелий. Сверхпроводящие тороидальная и полоидальная катушки совместно с центральным соленоидом удерживают плазму внутри вакуумного сосуда реактора. Эти катушки генерируют магнитное поле, которое формирует плазму в тор. В 1950-х годах считалось, что MFE можно достичь относительно легко. Шла настоящая гонка: кто первым создаст подходящую установку. К концу 1950-х годов стало ясно, что турбулентность и нестабильность в плазме — серьезные проблемы. В 1968 году советская команда изобрела токамак, который показал производительность в 10 раз выше, чем альтернативные способы. Курчатова под руководством академика Льва Арцимовича. С тех пор считается наиболее перспективной идея токамаков с магнитным плазменным удержанием. Однако есть и другая концепция термоядерного синтеза — инициирование цепных реакций внутри реактора путем нагревания и сжатия топливной мишени с помощью мощного лазерного излучения так называемый инерционный синтез. Применяются мощные лазеры для того, чтобы зажечь небольшую мишень — ампулу, содержащую топливо, и быстро менее чем за одну миллиардную долю секунды достичь условий термоядерного синтеза. Лазер используется для генерации импульса инфракрасного света, который длится несколько миллиардных долей секунды с миллиардными долями джоуля энергии. У этой технологии есть свои подводные камни. Лазеры с высоким КПД должны интенсивно, а главное — однородно облучать мишени; при этом важны сверхточная фокусировка лазеров, скрупулезное соблюдение размеров мишеней, их строго сферическая форма. Несколько ампул за секунду должны быть загружены в реактор с фиксированным положением по центру — это особенно сложно осуществить, учитывая масштабы реактора. Самая крупная экспериментальная установка, работающая по принципу инерционного синтеза, — это Национальный центр зажигания National Ignition Facility , расположенный в США, в Ливерморской национальной лаборатории им. NIF — самая мощная лазерная система в мире, насчитывающая 192 лазерных пучка. Принцип работы тот же, но в LMJ 176 лазерных луча. ТОП-7 событий в области термояда в 2018 году: В марте специалисты отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН представили систему контроля концентрации водяного пара в плазме, которая обеспечит безопасность водяной системы охлаждения термоядерного реактора. В апреле ученые Института ядерной физики им. Будкера представили технологию, позволяющую в реальном времени наблюдать поведение конструкционных материалов при термоядерном синтезе. В июле американская Lockheed Martin запатентовала дизайн компактного реактора CFR, прототипы которого были представлены еще в 2017 году. В августе в Оксфордском университете запущена импульсная установка FLF. В сентябре специалисты Токийского университета представили устройство для создания магнитного поля с полностью контролируемыми параметрами, причем магнитное поле экспериментально удается продержать 100 мкс — это абсолютный рекорд. В декабре исследователи из Управления по атомной энергии Великобритании сообщили о создании уникальной системы для охлаждения плазмы в токамаке охлаждение — одна из ключевых проблем в токамаках. Международный проект ИТЭР International Thermonuclear Experimental Reactor ITER — самый крупный в мире токамак, сложнейшая термоядерная экспериментальная машина, призванная продемонстрировать осуществимость технологий термоядерного синтеза и доказать, что термоядерная реакция может быть управляемой. Идея ИТЭР состоит в том, чтобы на выходе вырабатывать в 10 раз больше энергии, чем на входе. Основан проект ИТЭР на российской концепции токамака с магнитным удержанием плазмы.
В целом новая гибридная атомная станция будет значительно безопасней и экологичней. Отсутствие большого количества опасных отходов также позволит повысить экспортный потенциал нашей атомной промышленности. Развивая эту технологию, мы оставим своим потомкам более чистую планету, без залежей ядерных отходов. Мы будем использовать термоядерный реактор как мощный источник нейтронов для получения ядерного топлива. При этом параметры плазмы в таком термоядерном источнике нейтронов могут быть существенно ниже, чем в чисто термоядерном энергетическом реакторе, а размеры — существенно меньше, чем у того же ИТЕРа. Следовательно, такой реактор-источник будет значительно дешевле. Но самое главное: реализация гибридной концепции позволит существенно сократить время, требующееся для внедрения уже наработанных термоядерных технологий в коммерческий оборот. Существует еще и открытый тип реактора — зеркальные ловушки, или, образно говоря, «магнитные бутылки», имеющие на концах магнитные «пробки» или магнитные «зеркала». На концах такого реактора, возле «пробок», магнитное поле сильное, в центре — слабее. Частицы плазмы привязаны к силовым линиям магнитного поля и движутся от одной «пробки» к другой, каждый раз отражаясь от них. Конструкция такого реактора получается более простой, а значит, дешевой и легкой в сборке. Такая зеркальная ловушка, модель будущего реактора открытого типа, есть в новосибирском Институте ядерной физики им. Она считается лучшей установкой такого типа в мире: среди них ей принадлежит рекорд по температуре -10 миллионов градусов. Но на этом новосибирцы останавливаться не намерены. В планах — скрестить открытую ловушку с ядерным реактором, сделать технологию гибридной о подобной технологии мы писали выше. Еще одна очень интересная технология. Этот проект, который, если все пойдет по плану, может значительно улучшить имидж атомной энергетики, который несколько пострадал после аварии на Фукусиме. Никаких нейтронов, загрязняющих окружающую среду, при этом нет — только чистая энергия. Правда, протон и бор идут на сближение еще труднее, чем дейтерий с тритием, а потому платой за явные преимущества их «союза» является гораздо более высокая температура зажигания реакции — миллиард градусов Цельсия. Это горячее, чем на Солнце! Оно разве не вредное? При строительстве энергетической станции на основе этой технологии вокруг реактора будет построена железобетонная защита, которая обеспечит полную безопасность. Только в центре токи, текущие в плазме, такие мощные, что способны поменять знак магнитного поля реактора. При этом образуется сгусток плазмы, в котором силовые линии магнитного поля замкнуты, и в таком реакторе плазма очень хорошо удерживается. Кроме того, атомы пучка захватываются в плазме и создают те самые токи, в магнитном поле которых она удерживается. Этот инжектор создает направленный поток нейтральных атомов водорода со скоростью более 10 тысяч километров в секунду и с мощностью до 10 мВт в одном пучке. Именно такие инжекторы мы разрабатываем для проекта Tri Alfa Energy.
Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза
В запущенном в Китае реакторе термоядерного синтеза использовалось достижение российских ученых, создавших устройство, отслеживающее температуру плазмы. Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора. Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов. Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии.
Эра термоядерного синтеза
Темы Это интереснейший физический процесс, который пока в теории может избавить мир от энергетической зависимости от ископаемых источников топлива. В основе процесса лежит синтез атомных ядер из более легких в более тяжелые с выделением энергии. В отличие от другого использования атома — выделение из него энергии в ядерных реакторах в процессе распада — термоядерный синтез на бумаге практически не будет оставлять радиоактивных побочных продуктов.
Идея эта оказалась хорошей, сегодня весь мир пошел по этому пути. Николай Басов. Фото: ru. По сути, это маленький термоядерный взрыв, который отличается от взрыва бомбы тем, что является управляемым.
Что дальше? Надо будет полученную энергию как-то собрать, преобразовать в тепло. Хоть термоядерная реакция и считается самой чистой из всех ядерных, но сильные потоки электронов, которые активируют окружающие вещества, никто отменить не может. Но самый, пожалуй, главный вопрос заключается в том, действительно ли термоядерный реактор поможет нам вырабатывать дешевую электроэнергию? То есть, условно, на мишень попал 1 мегаджоуль, а выделилось 1,2 мегаджоуля. Но на самом деле надо смотреть, сколько установка потребила энергии из розетки.
Это будут совсем другие цифры. Все это пока сильно охлаждает мысль о том, что завтра у нас будут фабрики с термоядерными управляемыми реакторами. И там тоже будет использоваться рентгеновский диапазон излучения для обжатия мишени, как и американцев, но есть свои интересные наработки. Работы пока проводятся на уровне энергии в несколько десятков килоджоулей.. На полный уровень энергии 2.
Аналогичные разработки ведутся в США и в Великобритании. Гаспарян уточнил, что термоядерный реактор безопаснее, потому что в обычном происходит самоподдерживающаяся реакция деления, которая в случае аварии, как на «Фукусиме», может приводить к нежелательным последствиям. В термоядерном реакторе такого сценария быть не может. А реакция синтеза быстро останавливается при выключении питания. Фактически в качестве топлива используется вода, в которой содержится дейтерий.
Россия принимает в нем самое активное участие. Это — огромная установка, чья стоимость сегодня оценивается в 22 млрд евро. Чтобы запустить процесс на ИТЭР, плазму надо разогреть в токамаке — огромной полой баранке, где высокотемпературную плазму «держат на весу» мощные сверхпроводящие магниты. Это позволит проводить первые операции по разогреву плазмы. В 2035 году реактор должен выйти на полную мощность и будет производить больше энергии, чем потребляет. Но это еще не скоро. Например, лазерным излучением. Такая установка разрабатывается в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, США. Научный комплекс National Ignition Facility NIF за несколько миллиардных долей секунды усиливает и фокусирует 192 мощных лазера на мишени размером несколько квадратных сантиметров. Температура мишени превышает 100 миллионов градусов, давление — 100 миллиардов атмосфер.
ядерная физика
EAST к представляет собой установку в форме бублика для магнитного удержания плазмы. Термин «токамак» придумал советский физик Игорь Головин еще в конце 1950-х годов. Сейчас экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак называют «искусственным солнцем». В своей работе он имитирует реакцию ядерного синтеза, питающую настоящее Солнце. Первый пуск EAST состоялся в 2006 году. Установку построили на основе модифицированного реактора HT-7. Радиус ее внешнего корпуса составляет 1,7 метра. В мае 2021 года ученым удалось установить первый рекорд. Тогда реактор нагрелся до 120 миллионов градусов по Цельсию, но проработал всего 101 секунду 1,6 минуты.
Ученые считают, что с помощью токамака удастся получить источник неограниченной чистой энергии, так как водород и дейтерий в изобилии присутствуют на Земле.
В конечном счёте наиболее принципиальной сегодня можно считать задачу устранения негативного воздействия стенки, ограничивающей разряд, и других взаимодействующих с плазмой элементов. Проблема взаимодействия плазма—стенка для УТС двоякая. С другой стороны, существует обратное влияние на плазму.
Выбиваемые из стенки примесные атомы и молекулы поступают и могут накапливаться в плазме, приводя к дополнительным потерям на излучение, диссипации тока и даже деградации разряда. Накопление примесей вблизи стенки продуктов её эрозии увязывают с сокращением длительности разряда. Кроме того, стенка может довольно эффективно абсорбировать изотопы водорода, служащие термоядерным горючим. Отчётливо видно, что для сверхпроводящих систем повышение длительности разряда пока удаётся совмещать только со снижением нагрузки на стенку.
Одна из них заключается в использовании жидкого лития как материала с низким зарядовым числом в промежуточном слое между плазмой и стенкой или пластинами дивертора. При этом возможные функции такого литиевого слоя могут несколько разниться. Литий должен собираться специальными литиесборниками и очищаться от абсорбированных продуктов — но уже вне камеры. Извлечённые изотопы водорода направляются в систему подачи топлива.
Кроме того, часть принимаемой литиевым слоем энергии может высвечиваться в виде ультрафиолетового излучения, снижая температуру пристеночной плазмы и способствуя более равномерному распределению тепловой нагрузки по стенке камеры [ 11 ]. Большие объёмы циркулирующего лития и его проникновение в основную плазму — вот основные трудности на пути реализации этого подхода. Можно ли обеспечить относительно быстрое ламинарное течение тонкого слоя жидкого лития по металлической пластине, полностью поглощаю-щего попадающие в него частицы плазмы так называемый случай нулевого рециклинга? Будет ли при этом автоматически достигаться улучшение удержания плазмы в основном объёме реактора и, как следствие, повышение температуры?
Продуктивность этой концепции [ 12 ] и иных возможностей использования лития требует детальной экспериментальной проверки. Дальнейшая экстраполяция этой концепции заключается в полном отказе от стенки, ограждаю-щей плазменный объём. Речь идёт о проработке возможности сооружения магнитного термоядерного реактора в космосе на околоземной орбите. Такой подход имеет ряд потенциальных преимуществ включая гарантированную реализацию нулевого рециклинга , хотя и представляется труднореализуемым.
При этом магнитная конфигурация термоядерного реактора космического базирования может и должна быть предметом оптимизации, в том числе по параметрам таким как вес, присутствие дополнительных систем, простота монтажа и пр. Поэтому реализацию этого направления следовало бы начать с глубокой концептуальной проработки и маломасштабных космических экспериментов. Следует отметить, что идеи космического размещения энергетического реактора обсуждались ещё в 1970-х годах. Целесообразность их рассмотрения в настоящий момент оправдывается качественно иным достигнутым уровнем развития космонавтики, с одной стороны, и прогрессом в термоядерных технологиях и в понимании физики термоядерной плазмы, с другой стороны, что переводит эти идеи из области гипотез в сферу проектов, доступных для воплощения в жизнь за обозримое время, хотя они и не имеют пока достаточно сторонников для серьёзной проработки.
В зависимости от направления вращения магнитного поля плазма в установке либо "тормозится", в результате чего увеличивается время удержания плазмы, либо, напротив, ускоряется, что, в случае ракетного двигателя, создает реактивную тягу. Использовать для удержания плазмы открытые, то есть незамкнутые магнитные ловушки для плазмы при проведении управляемой термоядерной реакции предложил еще в 1950-е гг. Устройство получило название "пробкотрон Будкера" - технически более простой и надежный способ по сравнению с традиционным, так называемым "токамаком".
Читайте также Homo Science: Футуроскоп. За искусственным Солнцем: термоядерная энергия. Встреча третья В ходе работ 5 декабря на самой мощной в мире лазерной установке NIF ученые смогли получить больше энергии, чем было потрачено на зажигание термоядерной реакции. На топливо, состоящее из редких разновидностей водорода дейтерий и тритий , в сфере размером с пулю для пневматического пистолета со всех сторон направили 192 лазера. Энергия «на входе» составила 2,05 МДж, а «на выходе» более чем в полтора раза больше — 3,15 МДж.
#термоядерный синтез
В ноябре 1941 года Фукс посетил советское посольство в Лондоне и предложил предоставить СССР известную ему информацию о работах по созданию ядерного оружия в Великобритании. Его предложение приняли, связь с Фуксом установили через Урсулу Кучинскую. Урсула была профессиональной связисткой высочайшего уровня. Родилась в Германии в 1907 году. В 1930 году в Шанхае была завербована Рихардом Зорге. Он же присвоил Урсуле псевдоним «Соня», который и использовался в 1940-х годах. С ноября 1941 года «Соня» работала только на Клауса Фукса, все остальные задачи с неё были сняты. Поначалу Фукса курировал секретарь советского военного атташе С. Фукс работал исключительно из идейных соображений, на предложение о получении денег от СССР ответил категорическим отказом и попросил более никогда с ним на эту тему не разговаривать.
В декабре 1943 года, по рекомендации Пайерлса и Роберта Оппенгеймера, Фукс с группой других учёных был включён в состав участников американского «Манхэттенского проекта» и прибыл в США. Там в феврале 1944 года с Фуксом была установлена новая связь через связника Гарри Голда, коммуниста из семьи украинских евреев, которому Клаус передавал важную информацию, касающуюся своей части исследовательской работы по «Манхэттенскому проекту». Однако во второй половине 1944 года связь оказалась прервана: Фукс был переведён в Лос-Аламосскую лабораторию со строжайшими мерами секретности. Там он работал в группе Ганса Бете и добился выдающихся научных результатов. Восстановить связь советской разведке удалось только в январе 1945 года, до конца года состоялись три встречи, на которых Фукс передал исключительно важную информацию как о ходе работ, так и о первом испытании атомной бомбы, в котором он лично участвовал. Читайте также В Суоми решили исключить из истории Ленина, чтобы снова стать чьим-то областным центром? Финляндия тонко намекает, что может вновь стать частью Российской Империи В 1945—1946 годах Фукс участвовал в теоретических работах по разработке водородной бомбы, в анализе результатов применения атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки, в разработке программы исследований со взрывами атомных бомб на атолле Бикини. В июле 1946 года с другими британскими участниками проекта вернулся в Великобританию, где стал начальником отдела теоретической физики Научно-исследовательского атомного центра в Харуэлле.
Термоядерные реакции синтеза производят альфа-частицы, энергия которых нагревает все остальное топливо. Исследователи классифицирует ее как воспламенение англ. Ignition — самоподдерживающую реакцию термоядерного синтеза, при которой выделяется больше энергии, чем тратится на ее поддержание.
Чтобы добиться безубыточной реакции синтеза, физики внесли изменения в ход эксперимента, основываясь на результатах предыдущих исследований. Они увеличились мощность лазеров примерно на восемь процентов, а также изготовили мишень с меньшим количеством дефектов и отрегулировали способ подачи энергии, чтобы взрыв внутрь был более сферическим. До коммерческого получения термоядерной энергии еще далеко Пока что о коммерческом получении термоядерной энергии речь не идет.
Дело в том, что воспламенение не компенсирует всю энергию, потраченную на работу лазеров — около 322 мегаджоулей, — а только ту, что была потрачена непосредственно на нагрев мишени. Таким образом, NIF не является установкой для эффективного производства энергии, а служит лишь для экспериментального доказательства самой возможности воспламенения. Многие специалисты сомневаются, что сам подход с использованием лазеров может стать основой для получения термоядерной энергии из-за множества сложных технических проблем.
Хотя подход Z-пинч тестировался еще в 1950-х, исследователи столкнулись с проблемой быстрого угасания плазмы. Zap заявляет, что решила ее с помощью стабилизации сдвигового потока — инновации, которая теоретически может продлить срок жизни Z-пинч плазмы почти до бесконечности. Однако выбранное Zap топливо — тритий, безумно дорогое.
Несмотря на экономию на сверхпроводящих магнитах, этот факт может стать препятствием для коммерциализации технологии, если не будет решена проблема быстрого и дешевого производства трития, или не найдена подходящая замена.
Но если вы сумеете сжать и нагреть топливо очень быстро и очень сильно, то термоядерная реакция в нем будет идти быстрее, чем разлет вещества капсулы и ее охлаждение. Иначе говоря, инерциальное удержание то есть конфайнмент состоит в том, что и реакция, и выделение энергии происходят до того, как вещество наконец соберется разлететься — точно как в термоядерной бомбе после того, как в ней сработает атомный запал. Как это сделать?
Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного внутрь симметричного взрыва — имплозии — обычной взрывчатки. В 1978 году в письме в Nature физики из ядерного центра в Арзамасе-16 сообщали , что проводили такие эксперименты в 1955 и 1963 годах и достигли успеха — то есть смогли зафиксировать нейтроны, порожденные, по их мнению, термоядерной реакцией в тритиево-дейтериевой мишени. Но к тому моменту у ученых появился значительно более удобный, чем раствор нитробензола в тетранитрометане , инструмент — лазер. Лазерный пресс Один из изобретателей лазера Николай Басов в 1964 году вместе с коллегами опубликовал в ЖЭТФ статью , где рассматривал тонкости нагрева плазмы лазерным излучением, а уже через несколько лет рассказал о результатах первых экспериментов с мишенью из дейтерида лития и они увидел нейтроны, что могло свидетельствовать о термоядерной реакции.
За океаном в то же время ходили похожие идеи. Например, американский «отец» водородной бомбы Эдвард Теллер в 1957 году обдумывал вариант взорвать термоядерное устройство в трехсотметровой полости в толще гранита для получения энергии. Это заставило его и его сотрудников искать ответы на два вопроса: каким может быть наименьший энергетический выход термоядерной реакции, который бы имел смысл для коммерческого использования, и какого уровня энерговыделения можно добиться, не используя для запуска реакции «ядерный запал». Эти вопросы через некоторое время привели их к мысли об использовании лазера — как способа концентрации энергии в очень небольшом пространстве, что позволяло бы достичь необходимых давлений и температур в маленьком объеме топлива, горения которого бы не было разрушительным по масштабу.
В 1972 году Джон Накколс из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса вместе с коллегами опубликовал в Nature статью , где описал главные черты установки для лазерного термоядерного синтеза и даже привел вычисления, касающиеся ее коммерческой эффективности. Главное преимущество лазера, писал Накколс и его соавторы, состоит в том, что он позволяет создать сверхвысокую плотность вещества, необходимую для зажигания термоядерной реакции. Механические средства могут создать давление не более 106 атмосфер, этот предел задается прочностью химических связей. Взрыв химической взрывчатки может создать давление от 106 до 107 в центре имплозивного взрывного устройства.
Но это еще далеко до нужных для инерциального синтеза параметров. Лазерное излучение может довести давление до 108 — 1011 атмосфер и даже выше. Работать это все должно было так: лазерные импульсы, несущие огромную энергию сразу со всех сторон, должны был испарять внешние слои сферической мишени размером в миллиметр, что вызывало бы схлопывание оставшейся части к центру. И там, в момент наибольшего сжатия, возникали бы условия для «зажигания» небольшой части смеси дейтерия и трития в центре мишени — от 2 до 5 процентов общей массы, которые разогревали бы оставшееся тело мишени.
Но достичь успеха удалось не сразу. Любые неравномерности в обжатии мишени разрушали ее задолго до момента схлопывания к нужному размеру и достижения нужной плотности и температуры. Ученые подыскивали способы эффективнее обжимать топливные капсулы. Изначальная концепция нагрева и сжатия капсулы лазерами потребовала бы порядка 100 мегаджоулей, но физики придумали вариант, где разгоняющиеся внешние плотные слои из топливного льда сжимают газовую топливную смесь, разогревая ее ударной волной сжатия — такая концепция требовала уже 2-3 мегаджоуля, в 30 раз меньше!
Параллельно ученые в попытке добиться инерциального конфайнмента пробовали и увеличить «массу молотка», то есть энергии, которая «вкачивалась» в мишень за один выстрел начав с единиц килоджоулей, физики к 1980-м пришли к энергиям в десятки, а то и сотню килоджоулей за выстрел , так и поменять саму схему эксперимента. В середине 1970-х годов физики решили поставить между лазерным излучением и мишенью посредника, то есть попробовать метод «непрямого воздействия». В этом варианте топливная капсула размером в миллиметр подвешивалась в центре небольшого золотого или свинцового сосуда, который получил название хольраум от немецкого Hohlraum, «пустое пространство, полость», термин взят из работ Макса Планка , посвященных излучению абсолютно черного тела.
Выбор сделан - токамак плюс
Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. Пара слов о физике плазмы: на волне Волна боянов, Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост. Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы.
Инновации и наука
- Главная тема
- Зажгли. Лазерная установка NIF вышла в термоядерный плюс
- и
- Инновации и наука
- Прототип российского термоядерного реактора: для чего он необходим?
- Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика
Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных. В Саровском ядерном центре создается аналогичная установка для экспериментов, позволяющих работать с управляемым термоядерным синтезом с инерциальным удержанием. Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём.
ядерная физика
На практике американские учёные стреляют гранулами, содержащими водородное топливо, в пучок из почти 200 лазеров, создавая серию чрезвычайно быстрых повторяющихся взрывов со скоростью 50 раз в секунду. Энергия, полученная от нейтронов и альфа-частиц, извлекается в виде тепла, и это тепло является ключом к производству энергии. В данном случае речь идёт о выработке минимального количества энергии, очень далёкого от промышленных масштабов. Если точнее, этой энергии хватило бы на то, чтобы вскипятить 10 чайников воды.
Оно не имеет аналогов в мире. Эти аппараты обеспечивают защиту сверхпроводниковых катушек магнитной системы в случае перехода сверхпроводника в резистивное близкое к критическому состояние и являются важными компонентами защиты. Четыре уже доставлены на стройплощадку. Проблемы и решения На самой масштабной инновационной стройке мира не обходится без проблем. Продолжительность ремонта термоэкранов оценивается примерно в два года». Еще одна проблема возникла при сварке секторов вакуумной камеры.
При проектировании ИТЭРа первую стенку решили делать из бериллия.
Это серьезный шаг вперед. Хотя пока еще нельзя говорить, что NIF может устойчиво производить энергию. Установка, созданная Helion Energy — реактор Trenta — использует другой принцип. Плазма разогревается в двух источниках, и ее потоки сталкиваются в камере сгорания. В ней достигаются условия, при которых начинается термоядерный синтез и выделяется энергия. Trenta создает те же 100 миллионов градусов, что и NIF. Но эти «градусы» много дешевле. Сейчас «перезарядка» реактора занимает 10 минут, но усовершенствованная установка должна «стрелять» каждую секунду. При такой «скорострельности» она может выдавать энергию непрерывно.
Может так случиться, что небольшой коммерческий проект Helion Energy первым достигнет энергетической самоокупаемости термоядерной установки, опередив и государственные, и международные программы. А если Helion Energy притормозит, его может опередить другой стартап — Commonwealth Fusion Systems, созданный физиками из Массачусетского технологического института.
Большинство исследований пока связаны с т.
Если ранее термоядерной энергетикой занимались преимущественно государственные учреждения, то в последнее время инвестиции в соответствующую отрасль потекли и в частные компании, обещающие создать работоспособные технологии к 2030-м годам. Хотя многие учёные считают, что до появления термоядерных электростанций пройдут ещё десятилетия, новости невозможно игнорировать. Термоядерные реакции намного безопаснее с экологической точки зрения, чем обычные ядерные.
К тому же даже небольшое количество водорода в теории способно снабжать дом энергией в течение сотен лет. Это особенно актуально на фоне роста цен на углеводороды и глобального потепления.