На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора. Актом термоядерной реакции является слияние двух тяжелых ядер водорода (дейтерия с дейтерием или дейтерия с тритием) в ядро гелия. Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба".
Эра термоядерного синтеза
Термоядерную реакцию вполне серьезно можно назвать «святым Граалем» энергетики. Топливом для нее служат доступные человеку изотопы водорода — дейтерия, например, на Земле целый океан, никаких долгоживущих радиоактивных отходов, никаких выбросов парниковых газов — просто мечта. Но грааль этот кажется почти недоступным. Для того, чтобы положительно заряженные ядра слились, нужно преодолеть кулоновское отталкивание, нужна сила, которая их сблизит и удержит достаточно долго, чтобы произошла реакция. Для запуска слияния ядер изотопов водорода — нужны экстремально высокая температура и давление — как в недрах Солнца. Для термоядерной бомбы такие условия создает бомба плутониевая, которая играет роль запала. Но взрыв водородной бомбы вряд ли можно рассматривать как надежный источник энергии. Магистральным путем для попыток создать устойчиво работающий термоядерный реактор стали токамаки, где плазменный шнур в тороидальной камере удерживает магнитное поле. Ученые рассчитывали, что при достаточно высокой температуре в этом шнуре начнется реакция с положительным выходом энергии, то есть энергии будет выделяться больше, чем затрачено.
Рассчитывают они на это и сейчас, и строят в надежде на это международный термоядерный реактор ИТЭР читайте о нем в нашем материале «Солнце в бутылку! Быстрее взрыва Но наш главный герой — устройство, совсем не похожее на токамак. Это установка NIF National Ignition Facility — можно перевести как «Национальная зажигательная лаборатория» была построена в США в конце 1990-х годов для изучения управляемого термоядерного синтеза с инерциальным конфайнментом и непрямым лазерным обжатием. Главное слово в этом длинном поезде терминов — прилагательное «инерциальный». Если вы попытаетесь нагреть капсулу с термоядерным топливом скажем, смесью дейтерия и трития до очень высоких температур, при которых теоретически может начаться реакция синтеза, то задолго до нужного градуса и капсула и ее содержимое испарятся и рассеются в пространстве. Именно поэтому создатели токамаков тратят столько усилий на удержание плазмы в ограниченном объеме, чтобы не терять нужные для синтеза плотность и температуру топливной смеси. 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.
Проводные телефоны. Двушечка или не двушечка, я не помню, в телефоне-автомате. Я вам скажу: чудесно же жили.
Вот право. Я даже обрадуюсь. Как минимум мне не придется объяснять своим детям, почему у всех есть гаджеты, а у них нет. Я запрещаю своим детям иметь гаджеты.
Это отдельная тема. Сейчас не об этом. Но как минимум вот это будет гора с плеч. Каждый раз, когда дети возвращаются из школы: «Вот, у всех есть телефоны, айпады, а у нас нет, почему у нас нет?
То есть эта опция, она остается. И это еще самая гуманная, самая такая, знаете, травоядная опция. Я не вижу никакого исхода, кроме приблизительно такого. Нравится мне это или нет.
На этом программа была завершена. Реакция общества Московский политик Николай Королев отправил обращения в Следственный комитет и полицию после высказывания Маргариты Симоньян. Николай Королев попросил проанализировать рассуждения главного редактора RT. Высказался сегодня о перспективах термоядерного взрыва над Сибирью и мэр Новосибирска Анатолий Локоть , ответив на соответствующий вопрос NGS.
Ничего хорошего в наземных термоядерных взрывах нет. Последствия могут сказываться даже не на сотни лет, а на тысячелетия. Потому что образуются неустойчивые элементы, период полураспада которых исчисляется сотнями лет, а некоторые — и тысячей лет.
Соленоид стабилизирует шнур из плазмы во время работы установки. В феврале Япония доставила последнюю ниобийоловянную катушку тороидального поля. Система шинопроводов, которая собирается из сегментов до 12 м длиной и весом 2—4 т, соединит электросеть с магнитной системой реактора и устройствами быстрого вывода энергии, а также с оборудованием для нагрева плазмы. 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.
Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание.
На достижение этого потребовалось семь десятилетий. Теоретически внедрение термоядерных реакторов в широком коммерческом масштабе даст нам источник энергии, не загрязняющий окружающую среду, не сжигающий ископаемое топливо и не производящий радиоактивные отходы. Для поддержания термоядерной реакции 5 декабря 2022 года 192 гигантских лазера в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций National Ignition Facility, NIF разогрели цилиндрик размером с ластик, в котором в алмазной оболочке содержалось небольшое количество водорода.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
Буквально на долю секунды, но принцип тот же: и звезды, и термоядерные реакторы выделяют энергию за счет слияния элементов в более тяжелые. Синтезом как таковым давно никого не удивишь — первую термоядерную бомбу испытали еще в середине прошлого века, примерно столько же ученые трудятся над прототипом термоядерного реактора. Но здесь ученым удалось достичь положительного КПД, причем уже трижды. Как утверждают в лаборатории LLNL, лазеры направили в камеру реактора около 2 мегаджоулей энергии, а в результате синтеза выделились более 3 мегаджоулей. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом?
Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский: Дмитрий Побединский популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» «Многие считают, что это довольно сомнительно, потому что очень много мощных лазеров фокусируются на очень маленькой мишени, в которой запускается в небольших масштабах замедленная реакция и очень быстро выделяется много энергии. По сути, получается маленький термоядерный взрыв. И как преобразовывать выделяющуюся энергию в полезную мощность — большой вопрос. Ее много выделяется за очень короткое время.
Можно строить небольшие установки модульного типа, а потом их наращивать, допустим, вместо одного модуля сделать 10. Модуль — это небольшая часть всей термоядерной установки, это одна независимая небольшая термоядерная электростанция. Это приведет к снижению цены за электроэнергию по современным представлениям.
Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука — это физика высокотемпературной плазмы. Большая, серьезная наука, не все могут ее понимать и осваивать. Тем более, что теория не всегда совпадает с экспериментом, и адекватное понимание эксперимента очень часто основывается на так называемых скейлингах, то есть экспериментальных формулах.
В мире сейчас около 40 действующих установок типа токамак, три работающие установки находятся в России. Они никакой термоядерной энергии не производят, они экспериментальные, на них исследуют плазму, материалы, системы управления плазмой и т. На некоторых установках делали эксперименты с тритием.
На них было показано, что термоядерная реакция в принципе возможна, но коэффициент усиления был не больше единицы. Тем не менее, она возможна, потому что возникают нейтроны именно термоядерного происхождения, которые улавливались внешней оболочкой. Здесь сомнений нет.
Вопрос только технологический — можно ли построить термоядерную электростанцию, так, чтобы она действительно давала термоядерную электроэнергию, и чтобы там реально функционировали все системы, которые туда входят. Это сильная альтернатива. У атомных станций два серьезных недостатка.
Первое: они производят отходы, у которых период полураспада сотни и тысячи лет, их нужно где-то хранить, и их много, они накапливаются. Второй недостаток — они могут взрываться. Взрывы были сначала в Чернобыле, и затем на Фукусиме.
В токамаках принципиально невозможен взрыв. Очень просто. Когда работает токамак, в его камеру постоянно поступает газообразное топливо, например, смесь трития и дейтерия.
Имеются специальные быстродействующие клапаны, через которые поступает топливо. Если на термоядерной электростанции образуется внештатная, аварийная ситуация, то мгновенно закрываются клапаны, топливо прекращает поступать, той энергии, которая накоплена, для взрыва недостаточно, она может только сломать установку, прожечь камеру. Токамаки, конечно, нельзя считать полностью безопасными.
Опасность заключается в том, что, когда сливаются ядра легких элементов, в частности, дейтерия и трития, образуется ядро гелия и быстрый нейтрон. Нейтроны поглощаются внешней оболочкой. Какая бы оболочка ни была, она становится радиоактивной.
Эту радиоактивную оболочку через 20-30 лет надо менять. Но период полураспада там лет 15-20. Роботы убирают эту оболочку, заменяют на другую, радиоактивную где-то кладут — не хоронят, а кладут, и через 20 лет ее можно использовать снова.
Период полураспада прошел, она становится нерадиоактивной. Снова можно использовать в установке. Это другие элементы.
В мире, как уже было сказано, много работающих токамаков, и на каждом стоит своя система управления плазмой, свои алгоритмы управления, каждая команда разрабатывает свои системы. Так происходит потому, что систему управления плазмой нельзя перенести один к одному с одного токамака на другой, из-за того, что токамаки все разные, имеют разные электромагнитные системы. Мы предложили свою классификацию, основанную на анализе литературы.
Изначально аббревиатура «токамак» пришла из Курчатовского института тогда он назывался Институт атомной энергии им.
Токамак — тороидальная камера с магнитными катушками, прототип реактора для поддержания контролируемой термоядерной реакции в горячей плазме. Главной задачей JET было подготовить сценарий технических характеристик, близкий к запланированному для постройки международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР.
На реакторе JET было достигнуто первое в мире контролируемое выделение мощности синтеза на дейтерий-тритиевой реакции 1991 год , этому же реактору принадлежит мировой рекорд мощности управляемого термоядерного синтеза — 16 МВт 1997 год. При таких колоссальных температурах ядра изотопов водорода сталкиваются и, преодолевая кулоновский барьер, сливаются, образуя ядра атомов гелия. В результате каждого акта такого синтеза должно выделиться 17,6 МэВ энергии.
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.
Когда мне еще не было 6 лет, он рассказывал мне все об устройстве окружающих вещей от двигателя внутреннего сгорания до ядерного реактора! К сожалению, деда рано не стало, и он многое не успел мне рассказать. И вот недавно я случайно узнал, что, в каком-то роде, пошел прямо по дедушкиным стопам! Перебирая домашний архив, я обнаружил грамоту более, чем 40-летней давности, которую в свое время вручили моему деду за вклад в автоматизацию экспериментов на токамаках ФТИ, где я сейчас работаю! Так что, в науку я попал неслучайно В школе я любил алгебру, геометрию и физику. С девятого класса я учился в специализированном лицее с физико-математическим уклоном.
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
Как рассказал «Звезде» научный сотрудник частного учреждения Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» «Проектный центр ИТЭР» Кирилл Артемьев, речь идет об алмазном детекторе. Плазма просто так долго держаться не может, ее различными методами дополнительно нагревают», - пояснил суть работы устройства ученый. Установка EAST - это полноценный сверхпроводящий экспериментальный термоядерный токамак, который, по словам Артемьева, как и строящийся во Франции токамак Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР являются важными шагами к построению установки DEMO. По проекту, электростанция будет запущена в конце 2040-х годов и станет переходным звеном между ITER и первыми коммерческими термоядерными реакторами.
Эта веха под названием чистый прирост возвестила бы о надежной и доступной альтернативе ископаемому топливу и традиционной ядерной энергетике. Федеральная Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса в Калифорнии использует так называемый термоядерный синтез с инерционным удержанием — при этом крошечная частичка водородной плазмы бомбардируется крупнейшим в мире лазером. В ходе эксперимента за последние две недели удалось добиться чистого прироста энергии. Даже при том, что многие ученые считают, что создание термоядерных электростанций станет возможным лишь спустя десятилетия, потенциал этой технологии трудно переоценить.
Реакции термоядерного синтеза не выделяют ни углерода, ни радиоактивных отходов с долгим периодом полураспада, а небольшая чашка водородного топлива теоретически может питать дом в течение сотен лет. Американский прорыв свершился в момент, когда мир столкнулся с высокими ценами на энергию и необходимостью скорейшего отказа от ископаемого топлива, чтобы не допустить опасного скачка средних мировых температур. В соответствии с Законом о снижении инфляции администрация Байдена вложит в новые субсидии на низкоуглеродную энергетику почти 370 миллиардов долларов — это поможет сократить выбросы и выиграть глобальную гонку за чистые технологии следующего поколения. Если все пройдет хорошо, этот проект позволит получать самую "зеленую" энергию. Французские читатели тронуты верностью россиян.
Успехи китайцев назвали важными для науки, но для экономики они вряд ли окажутся полезными.
Мировой рекорд Китайские ученые заявили о прорыве на пути к созданию источника чистой термоядерной энергии. Им удалось разогреть экспериментальный реактор до 70 миллионов градусов по Цельсию. При такой температуре установка проработала 17 минут 36 секунд, уточнило издание South China Morning Post. Установка находится в городе Хэфэй провинции Аньхой. 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.
В ТГУ сделали шаг к поиску способов повышения энергоэффективности термоядерного синтеза 4. Ученый физического факультета Томского госуниверситета Михаил Егоров выясняет, для каких реакций и при каких энергиях и температурах выделяющаяся полезная энергия может превышать энергетические потери, связанные с движением заряженных частиц.
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
«Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. Физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии, чем потребил. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения.
Выбор сделан - токамак плюс
| Американские физики повторно добились термоядерного зажигания | В Саровском ядерном центре создается аналогичная установка для экспериментов, позволяющих работать с управляемым термоядерным синтезом с инерциальным удержанием. |
| Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза | Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. |
| Американские физики повторно добились термоядерного зажигания | Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен! |
FT: американцы добились прироста чистой энергии в термоядерном синтезе и совершили прорыв
Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. На термоядерной установке в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, США за несколько месяцев энергопроизводительность выросла в 8 раз.
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
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".
В момент максимального сжатия, в разогретой центральной части начинается термоядерная реакция, которая, как пожар, распространяется от центра к периферии. Всего несколько десятков пикосекунд продолжается горение, мощность которого в этот короткий миг сравнимо с потоком солнечной энергии на всю планету Земля и в десятки тысяч раз превосходит всю остальную мощность человеческой цивилизации. Как итог — в 2019-2020 году выход термоядерной энергии в экспериментах NIF начал заметно расти, перешагнул порог 100 килоджоулей, а весной 2021 года несколько выстрелов дали энергии от 400 до 700 килоджоулей и наконец 8 августа 2021 года — 1350 килоджоулей.
Эта энергия в 2-5 раз превосходила энергию рентгеновского излучения от стенок хольраума и в 10-20 раз — энергию, переданную топливной сфере и свидетельствовала о том, что зажженная термоядерная реакция в маленькой точке в центре сжатой сферы успевает прогреть и поджечь окружающий ее относительно холодный топливный материал. Теперь ученые, работающие в NIF провели пресс-конференцию, где рассказали, что 5 декабря 2022 года, при мощности лазера в 114 процентов от номинальной командой было получено заметное превышение выхода термоядерной энергии 3,15 мегаджоулей над вложенной энергией лазера 2,05 мегаджоулей , что является рекордным достижением для всех установок термоядерного синтеза. Журнал Science добавляет несколько деталей про выстрел 5 декабря. Рекордный эксперимент потребовал заметных усилий от команды экспериментаторов. Для корпуса топливной капсулы использовался искусственный алмаз, который давал наиболее гладкую сферическую поверхность без пор. Было максимально уменьшено отверстие, через которое капсула заполняется топливом.
Лазер был настроен на максимальную мощность и энергию, что позволило придать испаренной оболочке капсулы больше ускорения и сжать топливо чуть больше. За три месяца до рекорда, команда NIF уже опробовала эти улучшения, получив энерговыход в 1,2 мегаджоуля. Проблема, как оказалась, лежала в недостаточно симметричном обжатии, на последнем этапе капсула превратилась скорее в блин, чем в плотный шарик. Путем подстройки мощности каждого из 192 лучей удалось улучшить сферичность сжатия и как итог — получить рекордную термоядерную энергию. Никаких других подробностей об эксперименте нет: команда не опубликовала научную статью о своем результате. Много это или мало?
Эффективность термоядерных установок оценивают в Q — это отношение выделившейся термоядерной энергии к вложенной в плазму энергии нагрева. Сейчас Q в эксперименте на NIF достиг значения 1,54. Это значительно лучше достижений другой ветви управляемого термоядерного синтеза — магнитного удержания плазмы с помощью токамаков. Однако с инженерной точки зрения эти показатели не очень существенны, поскольку важен баланс затраченной и полученной электроэнергии. Посмотрим, что такое эксперимент на NIF с точки зрения баланса энергии цифры взяты из эксперимента 2021 года : NIF тратит 400 мегаджоулей на работу ламп-вспышек и еще 100 мегаджоулей на другие нужды установки Лампы-вспышки накачивают примерно 50 мегаджоулей в активную среду генерации лазеров Затем 4,2 мегаджоуля инфракрасного лазерного излучения конвертируют в ультрафиолет Лазерный ультрафиолет приносит в хольраум 1,8 мегаджоуля Хольраум производит 300 килоджоулей рентгеновского излучения Капсула поглощает 40-50 килоджоулей рентгена и схлопывается, производя термоядерную энергию — 1,35 мегаджоулей. В декабрьском эксперименте термоядерной энергии выделилось более чем в два раза больше — 3,05 мегаджоулей.
Цифры говорят, что инженерам еще надо долго совершенствовать установку, чтобы она научилась перекрывать начальные затраты в сотни мегаджоулей. Поэтому, хотя нам может показаться, что мы видим смену лидера — после 50 лет превосходства токамаков в Q, внезапно вперед вырывается инерциальный синтез, зрелость токамаков, как энергетических установок значительно выше. Инженерам придется ответить на множество вопросов: как оптимально поглощать и отводить на генераторы гигаджоули энергии, выделяющиеся в шарике размером несколько микрон? Как эффективно получать несуществующий на земле изотоп тритий, используемый в качестве топлива? Как дешево и массово производить мишени, требующие рекордных характеристик?
Тэги: физика , энергетика , энергия , технологии , термоядерный синтез , ITER , термоядерный реактор Установка лазерного термояда NIF - это сложнейшее инженерно-техническое сооружение: только конденсаторы для питания лазеров занимают площадь с футбольное поле. Фото с сайта www. Сообщение об этом достижении физиков стало главной сенсацией декабря.
Об этом на специально созванной пресс-конференции объявили представители Министерства энергетики США. Подчеркивалось, что это первое в истории получение прироста энергии в ходе реакции термоядерного синтеза. Это означает, что в результате синтеза было получено больше энергии, чем потребовалось от лазера для его начала», — указывается в сообщении Министерства энергетики США. Понятно, что без элементов PR здесь не обошлось. Но достижение американцев действительно весьма важное в физике экстремального состояния вещества. На основе принципа токамака строится международный экспериментальный термоядерный реактор ITER во Франции. Этот плазменный шнур удерживается должен удерживаться! Для сравнения: температура газа внутри Солнца — 15 млн градусов.
Сам принцип удержания миллионноградусного плазменного шнура в магнитном поле предложен еще в 50-х годах прошлого века выдающимися советскими учеными, академиками Игорем Таммом и Андреем Сахаровым. Может быть, это удастся вам сделать». Ни у нас в стране, ни где-либо еще. В 2020 году на китайском токамаке EAST ученым из Поднебесной удалось удержать 100-миллионноградусный плазменный шнур в течение 100 секунд. Затем сработала аварийная защита. Установка NIF принципиально отличается он токамаков. Термоядерная реакция протекает за миллионные доли секунды при сжатии термоядерного топлива в виде шариков размером с маковое зерно — смеси из трития и дейтерия. Для сжатия используют мощные лазеры.
Этот принцип создания и поддержания управляемой термоядерной реакции поэтому и называется лазерный термояд; или — инерциальный. Термояд по капле «Это историческое достижение для исследователей и сотрудников NIF, которые посвятили свои карьеры тому, чтобы увидеть, как термоядерный синтез становится реальностью, и это достижение, несомненно, повлечет за собой новые открытия», — заявила министр энергетики США Дженнифер Грэнхолм. Рекордный эксперимент обошелся американскому налогоплательщику в 3,5 млрд долл.
Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений физики высоких плотностей энергии. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Мишени прямого облучения представляют собой полую стеклянную или полимерную сферическую оболочку с высокой однородностью толщины, заполненную либо газообразной смесью дейтерий-тритий, либо дейтерием. Диаметр сферы от 200 до 1000 мкм, толщина стенки 0,5—15 мкм, давление газа внутри оболочки 1—100 атм. На внешнюю поверхность сферы может быть нанесено какое-либо покрытие. Мишени непрямого облучения представляют собой мишень прямого облучения, заключенную в сферический или цилиндрический кожух диаметром 1—4 мм из металла с высоким атомным номером.
Мишень для исследования уравнения состояния в лазерных экспериментах представляет собой базовую пластину из алюминия или меди толщиной 40—60 мкм, на одну из сторон которой нанесены в виде ступеньки слои из материала базы и исследуемого материала толщиной 4—10 мкм. Ступеньки отстоят друг от друга на расстоянии 50—100 мкм. Другая сторона мишени, на которую воздействовал лазерный импульс, покрывалась слоем полипараксилилена толщиной 8—10 мкм. Шероховатость поверхности не превышала 80 нм для свинца, 50 нм для алюминия и 10 нм для меди и полипараксилилена. При диагностике лазерного излучения и исследованиях плазмы на мощных лазерных установках ИЛФИ "Искра-5", "Луч" для проведения с субнаносекундным временным разрешением временной, пространственно-временной и спектрально-временной регистрации используются фотохронограф с щелевой разверткой СЭР-4 — для видимого и ближнего ИК-излучения, рентгеновский фотохронограф с щелевой разверткой РФР-4 — для мягкого и сверхмягкого рентгеновского излучения.
FT: американцы добились прироста чистой энергии в термоядерном синтезе и совершили прорыв
Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times. Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. На фото: физик-теоретик, участник Манхэттенского проекта от Великобритании, передавший сведения о ядерном оружии Советскому Союзу, Клаус Фукс. Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние.
Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". Положительный КПД в токамаках и стеллараторах стабильно получают как бы не с конца 80х; первая экспериментальная термоядерная электростанция строится в Европе с 90х, и начала бы свою работу до 2030, если бы современные европейские элиты не были полными идиотами.
Однако для длительного устойчивого удержания плазмы термоядерных параметров требуется множество инженерных систем, создание которых находится на пределе имеющихся технологических возможностей. Так, например, стационарность требует сверхпроводимости магнитных обмоток; при этом на стенку камеры и в дивертор идут колоссальные потоки тепла. Понятно, насколько серьёзными должны быть инженерные решения, обеспечивающие такое соседство.
Другой пример связан с необходимостью создания мощных источников высокоэнергичных нейтральных атомов — речь идёт о нескольких мегаваттах мощности при энергии в сотни и даже тысячи килоэлектронвольт в ИТЭРе два таких источника суммарной мощностью 33 МВт должны выдавать потоки МэВных 4 4 частиц в течение часа; ранее таких источников просто не существовало! Во-вторых, это достаточно очевидная проблема длительного поддержания тока. Униполярный электрический ток, наводимый в тороидальной плазме при помощи индуктора, не может существовать вечно с электротехнической точки зрения токамак представляет собой трансформатор с одновитковой вторичной обмоткой — плазмой. Сегодня предложено и экспериментально проверено несколько способов неиндукционного поддержания тока, среди которых уже упомянутая инжекция пучков быстрых нейтральных атомов.
Можно использовать и ввод обладающих компонентой импульса в тороидальном направлении электромагнитных волн различного диапазона: электронного циклотронного, нижнегибридного, а также свистового волны-геликоны. Весьма интересен и крайне важен так называемый бутстрэп-эффект bootstrap , заключающийся в формировании анизотропной функции распределения заряженных частиц неоднородной плазмы в магнитной конфигурации токамака эффект связан с тороидальной геометрией токамака и в цилиндре отсутствует. Точно так же большинство физических вопросов, казавшихся непреодолимыми на начальном этапе работ по УТС, таких как управление равновесием, многочисленные неустойчивости, аномальные процессы переноса, сегодня решены на практическом уровне. 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.
ITER — это тоже токамак. Работы по физике высоких плотностей энергии продолжаются, лидером этого направления у нас был В. Фортов, с которым мы здесь тоже работали. Сегодня мы переживаем новый этап в области термоядерных исследований благодаря новой федеральной программе. Она очень сложна. Существуют проблемы создания такого реактора.
Одна из важнейших — взаимодействие плазмы со стенкой, то есть эрозия стенки. Было предложено несколько способов ее защиты. Кстати, самые активные исследования этой проблемы проводятся здесь на токамаке Т-11М под руководством С. Энергетический термоядерный реактор предполагает, что мощность, выделяемая в процессе интенсивной термоядерной реакции, должна превосходить затрачиваемую на поддержание плазмы не менее чем в десять раз. И тогда на стенку камеры идет очень высокий поток частиц, который ее разрушает. Проблема первой стенки — одна из важнейших для энергетического реактора.
Если вы снизите требования к интенсивности реакции, то эти потоки уменьшаются и проблема защиты стенки перестает быть такой острой. Но возникает вопрос: а где мы можем применять эти нейтроны? Оказывается, мы можем их использовать в целях создания топлива для обычных атомных реакторов. Это так называемые гибридные системы «синтез — деление», и они сейчас здесь очень активно обсуждаются и развиваются. Практическая реализация таких систем важна. Но чего сейчас здесь удалось достичь?
Каков сегодня мировой рекорд ее удержания, где он достигнут? Первый токамак со сверхпроводящими магнитными системами был построен в Курчатовском институте. Потом, в силу ряда обстоятельств, эта система не получила развития. Точнее, она получала развитие в токамаке Т-15, который создавался в Курчатовском институте, но из-за слома Советского Союза дело не было доведено до конца. На Западе и Востоке довели. Надо понимать, что, помимо времени удержания, еще есть требования на плотность, температуру, и вообще для того, чтобы термоядерный реактор работал, необходимо, чтобы тройное произведение — время удержания, плотность и температура — было выше некоторой величины.
Длительность удержания разряда в высокотемпературной плазме на китайском токамаке — более 100 с. Требуемые температуры также достигнуты. Реализовать их одновременно в одной установке предполагается в ITER. Сегодня здесь лидеры китайцы. У них разряд в высокотемпературной плазме держится больше сотни секунд. В ITER будет два режима.
Один — режим удержания в течение пяти часов, другой, более короткий — в течение нескольких десятков секунд. Если мы говорим о системах с магнитным удержанием, а только о них мы и должны говорить, все-таки их придется периодически перезаряжать. То есть система работает несколько часов, потом она останавливается, прочищается за час и потом опять работает. В этом смысле коэффициент использования мощности будет высоким. Мы все живем благодаря термоядерной энергетике — не только в смысле зарплаты, а в смысле создания практически не ограниченного топливными ресурсами энергетического источника. Термоядерная реакция — такой источник энергии.
Человечество жаждет овладеть такой энергией. В конечном счете человечеству нужно практическое применение. И первое такое применение будет на гибридных системах. Можно получать топливо, облучая уран и превращая его в изотоп, используемый в атомных реакторах. Можно также облучать торий, которого больше на Земле, чем урана, и из него тоже нарабатывать топливо. Это одно направление.
А второе направление, может быть, не менее важное, связано вот с чем. Радиоактивные отходы получаются даже при энергетике, основанной на быстрых реакторах.
С момента начала работы в 2006 году EAST является открытой испытательной платформой для китайских и международных ученых для проведения экспериментов и исследований, связанных с термоядерным синтезом.
В качестве следующего шага планируется создание на его основе будущего китайского испытательного термоядерного реактора CFETR , который рассматривается как «искусственное солнце» нового поколения и который станет первым в мире демонстрационным термоядерным реактором. В свою очередь в Германии было объявлено о собственном прорывном достижении в области термоядерного синтеза.