Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF).
Содержание
- Реакция общества
- Учёным удалось получить полезную энергию в термоядерной реакции / Хабр
- Как причесать ежа, или попытки удержать плазму
- Новый термоядерный рекорд: китайский токамак удерживал плазму 403 секунды
Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике. Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку.
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
Или термоядерного синтеза. Испытания — уже прямо в космосе — запланированы на 2027 год. Не удивительно, что термоядерный двигатель принципиально будет похож на термоядерный реактор - тот самый неисчерпаемый источник энергии, которого ждет-не дождется человечество. Только вместо «бублика» -тора, в котором вспыхнет рукотворное Солнце и пойдут реакции термоядерного синтеза, аналогичные тем, что разогревают наше светило, ракетный двигатель сделают в виде цилиндра, открытого с одной стороны — оттуда с огромной скоростью и будет вырываться плазма, нагретая до сотен миллионов градусов. И создавать тягу.
Солнце и звезды тоже являются сгустками сильно нагретой плазмы.
Вещество в состоянии плазмы видел каждый, когда в небе сверкала молния , а вот удержать и сжать такое вещество — задачка не из легких, но ее необходимо решить для реализации управляемого термоядерного синтеза на Земле. Фото iStock Удержать плазму внутри построенных человеком установок тяжело — нагреваясь до миллионов градусов, она плавит даже самое прочное покрытие. Поэтому стенки камер реактора для управляемого синтеза не должны соприкасаться с плазмой. Другое важное условие использования плазмы — сжатие. Если не сжимать разогретую плазму со всех сторон равномерно, она выскользнет, остынет, и реакции в ней прекратятся.
Плазма подобна надутому воздушному шарику — как бы равномерно вы ни надавливали на него, шар всегда будет просачиваться через пространство между пальцами. Солнечная плазма не разлетается по всему космосу из-за огромной массы звезды — ее гравитационное давление постоянно сжимает ядра атомов вместе. Масса Земли в 330 тысяч раз меньше, поэтому создать подобное давление на нашей планете невероятно трудно. Каждый раз, когда ученые пытались сжать плазму в реакторе, она выплескивалась наружу. Как причесать ежа, или попытки удержать плазму К решению задачи удержания плазмы вплотную подошли советские ученые Института им.
Курчатова в 1950-х. В магнитной ловушке, созданной под руководством академиков Андрея Сахарова и Игоря Тамма, горячая смесь дейтерия и трития удерживалась с помощью магнитного поля и не касалась стенок реактора. Эта экспериментальная установка c вакуумной камерой в форме бублика тора стала известна во всем мире под именем Токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. В ней впервые удалось достичь температуры термоядерной реакции в 100 миллионов градусов — почти в 10 раз больше, чем внутри Солнца! У любого термоядерного реактора типа токамака есть отверстие в центре.
Объясняется это теоремой о причесывании ежа, согласно которой невозможно причесать свернувшегося клубком ежика так, чтобы ни одна его иголка не торчала наружу. Если придать плазме форму шара, то ее магнитное поле всегда будет иметь минимум одну выпадающую точку. С тором такой проблемы не возникнет, его можно гладко «причесать» по всей поверхности, причем разными способами. Так выглядит изнутри тороидальная камера токамак для осуществления реакции синтеза Прошло почти 70 лет, но токамак все еще остается самым перспективным типом термоядерных реакторов — практически у каждой развитой страны сегодня есть собственная тороидальная установка. Реакторы других форм создают для изучения свойств плазмы.
Например, сферический токамак напоминает сплюснутый глобус и позволяет дольше удерживать плазму. А в стеллараторе, прозванном «мятым бубликом», магнитные катушки находятся снаружи тора, за счет чего он может работать без перерывов, в отличие от классического токамака. Существуют и альтернативные виды реакторов, например установки на инерциальном удержании.
Интенсивная среда, создаваемая направленными внутрь ударными волнами, создала самоподдерживающуюся реакцию ядерного синтеза. Однако за год ученые так и не смогли повторить эксперимент. В четырех аналогичных опытах удалось получить только примерно половину от энергии, полученной в первоначальном успешном эксперименте.
Физики будут продолжать свои эксперименты, чтобы снова воссоздать самоподдерживающийся термоядерный синтез.
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. Детали их производства оставались в секрете до 1994 года. Под действием излучения лазера внутренняя поверхность сосуда становилась источником рентгеновского излучения, которое и попадало в мишень, запуская термоядерную реакцию. В рентген должно было превращаться от 70 до 80 процентов энергии лазерного излучения. В этом варианте поток излучения гораздо более равномерен и капсула, в теории, должна была сжиматься ровно, без искажения формы. Впрочем, на практике путь к этому оказался долгим.
Рождения героя После нескольких промежуточных установок поменьше, в 1997 году США запустили строительство гигантской лазерной установки NIF стоимостью около 2 миллиардов долларов, которая должна была продемонстрировать работоспособность концепции и так называемый breakeven — равенство или превышение выхода термоядерной энергии над энергией лазеров, которая по проекту должна была составить 1,8 мегаджоуля. Проблемы NIF, как прототипа термоядерной электростанции, были видны еще до начала строительства — даже если бы 1,8 мегаджоуля термоядерной энергии получалось бы в каждом выстреле, затраты энергии «из розетки» все равно составляли бы скорее 500 мегаджоулей, а количество выстрелов не превышало бы 2-3 в сутки. Кроме того, мишени для NIF представляли собой произведение криогенного ювелирного искусства: капсула миллиметрового размера и сверхточной формы наполняется топливом при температуре 15 кельвин и поддерживается при этой температуре в процессе помещения в установку и до момента эксперимента. Ну и разумеется, никакой энергоустановки в проекте предусмотрено не было, термоядерное тепло просто рассеивалось через градирни. В реальности все оказалось еще скромнее. Установка произвела первые полноценные выстрелы в 2010 году и вместо мегаджоулей термоядерной энергии ученые увидели сотни джоулей. Три года непрерывных усилий по совершенствованию установки привели к первому breakeven — выходу около 15 килоджоулей термоядерной энергии, что было больше, чем сообщали рентгеновского тепла стенки сосуда с капсулой. Однако это было далеко от того, что обещали до начала строительства NIF. Впрочем, основного заказчика этой установки все устраивало. Дело в том, что условия, создающиеся в топливной капсуле и хольрауме очень похожи на то, что происходит в термоядерном боеприпасе в момент срабатывания.
И изначально NIF создавался как большой стенд для верификации нового поколения программ, симулирующих поведение ядерного оружия, а энергетическое направление было приятным бонусом, на который выделялось меньше трети фондирования. Но команда термоядерщиков LLNL продолжала совершенствовать режимы работы лазеров, конструкцию хольраума и капсулы. Вместе это позволило поднять симметричность и стабильность сжатия капсулы, побороть лазерно-плазменные неустойчивости на хольрауме, увеличить эффективность передачи энергии от лазеров на хольраум и от хольраума на сжатие капсулы. Как работает NIF Специально профилированный во времени затравочный импульс «мастер-лазера» расщепляется на 192 луча, каждый из которых проходит 4 раза через 192 усилителя лазерного излучения и направляется на систему преобразования частоты, где исходное инфракрасное превращается в рабочий ультрафиолет. Через систему фокусировки 192 луча с точностью в 10 микрон проходят через окна в хольрауме, попадая на его внутренние стенки, за 10 наносекунд разогревая их до 3 миллионов градусов. Сфера с топливом, «купаясь» в излучаемом хольраумом рентгеновском излучении начинает испаряться снаружи, а реактивная сила отдачи начинает сжимать внутренние слои к центру симметрии капсулы. Примерно за 2 наносекунды при давлении в 200 миллиардов атмосфер размер сферы уменьшается в 30 раз, а плотность топлива возрастает до 1000-1300 грамм на кубический сантиметр — примерно в 100 раз плотнее свинца.
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF). Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике. Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. Американцы совершили прорыв в изучении термоядерной энергии. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов.
МЫ БЫЛИ ПЕРВЫМИ
- Российский ученый раскрыл секреты искусственного солнца, которое зажгли в Китае
- Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза
- До коммерческого получения термоядерной энергии еще далеко
- Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
- Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке». И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире. В запущенном в Китае реакторе термоядерного синтеза использовалось достижение российских ученых, создавших устройство, отслеживающее температуру плазмы. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов.
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
Вид в поперечном разрезе основных компонентов стенки токамака Рис. Схематическое изображение диверторного узла Осторожно, «горящая плазма»! Один из важнейших критериев проекта — безопасность. При осуществлении термоядерного синтеза не инициируется цепная реакция, а значит, при любом нарушении или прекращении подачи топлива плазма охлаждается в течение нескольких секунд и затухает, словно пламя. Тритий, содержащийся в топливе, будет вырабатываться в замкнутом контуре, поэтому должны строго соблюдаться меры безопасности при обращении с тритиевым топливом внутри реактора. Тритий — слабый бета-излучатель, он не проникает в человеческую кожу, но очень токсичен для организма при попадании через дыхательные пути. 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.
Однако при этом остаются такие факторы, влияющие на экономическую целесообразность, как стоимость топлива и мишеней. Ливерморская национальная лаборатория обошла ITER Наряду c ICF существует еще один способ проведения термоядерного синтеза, называемый магнитным удержанием плазмы. Он проводится в токамаках — тороидальных установках, где нагретая до экстремальных температур плазма удерживается с помощью мощных магнитных полей. Масштабный проект начал разрабатываться с середины 1980-х годов, а завершить грандиозную стройку планируется в 2025 году.
Также как и в инерциальном термоядерном синтезе, в основе работы реактора ITER будет лежать термоядерная реакция слияния изотопов водорода, дейтерия и трития с образованием гелия и высокоэнергетического нейтрона. Для этого дейтерий-тритиевая смесь должна быть нагрета до температуры более 100 миллионов градусов, что в пять раз превышает температуру Солнца. Планируется, что эксперименты по нагреву плазмы для запуска энергоэффективных термоядерных реакций начнутся только в 2035 году. В то же время инженерные задачи и проблемы, с которыми специалисты сталкиваются при строительстве ITER, отличаются от тех, что возникают в ICF. Одной из них является, например, предотвращение контакта высокотемпературной плазмы со стенками установки.
Если ядерная энергетика была переведена на мирные рельсы уже через пять лет после испытания ядерной бомбы, термояд — аналог солнечных реакций — долго не удавалось приручить. Только задумайтесь — первая водородная термоядерная бомба была взорвана 69! Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. Потому так важен результат, о котором сообщила в понедельник заокеанская пресса. В Ливерморской национальной лаборатории осуществлен так называемый инерционный управляемый термоядерный синтез, а именно столкновение дейтерия и трития при помощи самого большого в мире лазера. В Министерстве энергетики США официального заявления пока не сделали, но назвали эксперимент «крупным научным прорывом». Фото: ВНИИЭФ — Озвученные американской прессой данные, конечно, еще требуют проверки, но если они подтвердятся, это можно будет считать крупным шагом вперед в деле осуществления термоядерного синтеза, — комментирует информацию директор Физического института им. Так вот как раз именно этому великому ученому и принадлежит идея термоядерного синтеза! То есть, это получение синтеза, аналогичного тому, что происходит на Солнце. Чтобы объединить, так сказать, на первый взгляд необъединимое все-таки ядра являются одинаково заряженными , надо обеспечить высокую плотность вещества и очень высокую температуру одновременно, чтобы два ядра слились с выделением энергии. Физика процесса была понятна давно, но осуществить ее оказалось не так просто. По замыслу Басова следовало обжать мишень несколькими лазерными пучками с разных сторон. Они бы вызвали нагрев, ударную волну с возникновением плотной плазмы, в которой могут сталкиваться ядра дейтерия и трития. Когда ученые это поняли, скорая идея зажигания мишени с выделением энергии, значительно компенсирующей затраченную, долго грело им душу. Однако эксперименты по сферическому обжатию термоядерной мишени, проводимые в нашей стране они начинались в ФИАНе в начале 70-х годов на установке «Кальмар» и за рубежом долго ни к чему не приводили.
Но пока стадия, в которой находятся исследования, не позволяет сделать надежных выводов. Если действительно реактор, работающий на ядерном синтезе, удастся технически реализовать, это будет огромный прорыв. Это сильно изменит мировую экономику. Причем очень сильно. Но пока это все-таки относится к области научной фантастики, это достаточно далеко от реальности». В разработку термоядерных технологий инвестирует и Россия. В апреле на токамаке московского Курчатовского института была получена первая термоядерная плазма. Как заявил тогда президент центра Михаил Ковальчук, установка набирает мощность и выходит «на мировые параметры». Но вот сроков наступления светлого будущего термоядерной энергии не называют ни в Москве, ни в других столицах.
Поддерживаемый Биллом Гейтсом стартап по термоядерному синтезу превзошел температуру Солнца
Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция. В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и.
Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке». Пара слов о физике плазмы: на волне Волна боянов, Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост. На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора. Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора.