Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция. Делается вывод о том, что термоядерные исследования способны выступать и уже выступают мощным драйвером научно-технологического прогресса, механизмом, стимулирующим. Реакции термоядерного синтеза позволяют получать энергию без радиоактивных отходов и оставления углеродного следа.
FT: американцы добились прироста чистой энергии в термоядерном синтезе и совершили прорыв
Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция. Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития.
Содержание
- Физики США вторично добились положительного термоядерного синтеза
- Термоядерный синтез
- ядерная физика, все новости – «ВЗГЛЯД.РУ»
- Термоядерный реактор: что это, как устроен, международный термоядерный реактор ИТЭР
Термоядерный синтез
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. С использованием точных методов квантовой механики он вычислит сечения наиболее интересных с прикладной точки зрения термоядерных реакций синтеза.
Термоядерная реакция — это слияние ядер легких элементов с выделением энергии. Самое близкое по порогу получение термоядерной реакции — это смесь дейтерия с тритием. Это газ, поступающий через клапаны в тороидальную вакуумную камеру. В камере образуется меняющееся магнитное поле за счет изменения токов в окружающих камеру катушках, оно создает вихревое электрическое поле, которое пробивает газ, образуется плазма и ток в ней, при этом плазма начинает греться за счет прохождения в ней тока. Токамак — это и есть та самая тороидальная камера с магнитными катушками, в которой все происходит.
Много таких технологий. Проблема термоядерного синтеза разрабатывается давно, шесть десятков лет, и флагманом в этой области сейчас служит сооружаемый во Франции ITER International Thermonuclear Experimental Reactor — Международный термоядерный экспериментальный токамак-реактор. Для него развиваются технологии. Этих технологий много, и много связанных с ними сложностей: например, проблемы материалов первой стенки, роботов, которые могут заменять бланкет через определенное время, проблемы магнитного и кинетического автоматического управления плазмой, их интегрирования и много разных других. Но надо понимать, что термоядерный реактор ITER — это не термоядерная электростанция. Вся термоядерная энергия, которая получается внутри него, будет рассеиваться в окружающем пространстве.
Однако термоядерная реакция в ITER будет происходить в любом случае, и будет происходить усиление мощности — то есть, на один вложенный ватт за счет термоядерной реакции будет получено 10 ватт. Зачем нужен термояд? Прежде всего для мировой промышленности. Дело в том, что уже в ближайшее время, где-то к 2050-му г. Потому что чем выше уровень цивилизации, тем больше энергии она требует. И, несмотря на то, что пока еще сохраняются ресурсы нефти, угля, газа, дефицит энергии никак не покроешь за их счет.
Единственный выход — это термоядерная энергетика. Вот над этим и работают исследователи, особенно в Европе, и лидеры там — немцы. Это уникальная нация, и они это сделают — создадут термоядерную энергетику. А мы, если всерьез не возьмемся за разработки в этой области, окажемся на задворках истории в решении столь серьезной проблемы. Известны две дорожные карты. Одна — с очень дорогими термоядерными электростанциями, огромными по размеру, до 9 метров большого радиуса тора токамака-реактора.
Вторая — с дешевыми, всего 6 американских центов за 1 квт-час электроэнергии, и 1,6-2,0 метров большого радиуса, и это можно сделать на сферических токамаках, на одном из которых мы и работаем, разрабатывая для него системы управления плазмой. Но можно говорить об их разнообразии? Да, существуют различные сферические токамаки. Они сферические в том плане, что у них аспектное отношение, то есть отношение большого радиуса токамака к малому, составляет, примерно, 1,5, а все другие, конвенциальные, имеют аспектное отношение, приблизительно, 3-4 и выше, и это, в отличие от сферических, не может дать дешевую электроэнергию. 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.
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. Почему так дорого? Сердце реактора NIF — 192 мощных лазера, которые одновременно направляются на миллиметровую сферическую мишень около 150 микрограммов термоядерного топлива — смесь дейтерия и трития; возможно, в дальнейшем радиоактивный тритий можно будет заменить легким изотопом гелия-3, которого так много на Луне.
В 1989 году была запущена 12-канальная установка "Искра-5" мощностью 120 ТВт, не имеющая аналогов в Европе и Азии по мощности ее превосходила лишь установка "Нова" в США. На комплексе, в основном, проводятся исследования с мишенями непрямого облучения. Направления этих исследований: лазерный термоядерный синтез, взаимодействие лазерного излучения с плотной плазмой, физические процессы в горячей и плотной плазме и магнитосферных бурях. Асимметрия создавалась нарушением однородности рентгеновского поля на поверхности сферически симметричной стеклянной капсулы. Проведенное сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами газодинамических расчетов сжатия центральных капсул по программе МИМОЗА-НД, с параметрами мишени и рентгеновского импульса, соответствующими эксперименту, позволяет констатировать качественное и количественное согласие между экспериментальными и расчетными данными в широком диапазоне изменения асимметрии рентгеновского поля. Наблюдается удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных значений нейтронного выхода во всем исследованном диапазоне сдвигов.
Эти результаты показывают, что, несмотря на чрезвычайно широкий диапазон изменения характера газодинамического течения, наблюдается удовлетворительное согласие расчетного и экспериментального значений нейтронного выхода и времени сжатия капсулы с DT-газом. Впоследствии данная установка получила название "УФЛ-2M". 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.
Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М. Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание. Специалисты Института ядерной физики СО РАН уверены, что для Сибири термоядерный взрыв будет иметь катастрофические последствия.
Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
Маргарита Симоньян подчеркнула, что не знает, «чем всё это кончится», и она не сидит в высоких кабинетах, но может анализировать ситуацию. Они заднюю не дадут, пока им не будет очень-очень больно. Или пока они не поймут, что очень-очень больно им станет через секунду, но, например, сегодня, — убеждена ведущая. Главред RT уверена, что однажды мы можем проснуться и услышать обращение президента, который «назовет вещи своими именами». И только после этого Маргарита Симоньян начала рассуждать о термоядерном взрыве, как обо «всех вытекающих» сейчас происходящего.
Приводим дословную расшифровку речи телеведущей именно об этом. Она вспомнила слова Владимира Жириновского о том, что удар нужно нанести по Вашингтону: — По Вашингтону долбить не придется. Мне один умный человек рассказал то, о чем я никогда не догадывалась и не знала. Я же не разбираюсь в этом во всем, я же не военный эксперт.
Я, знаете, дура-баба, в футболе ничего не понимаю. И вот человек, инженер-радиоэлектроник, говорит мне: «Мы еще знали в советское время, что если произвести в сотнях километров на нашей же территории, где-нибудь над Сибирью, термоядерный взрыв, например ядерный взрыв, то ничего не будет на Земле. Ничего такого страшного. Ни ядерной зимы, которую все боятся.
Ни чудовищной радиации, которая убьет всех вокруг, а кого не убьет, то те умрут в течение десяти лет от онкологии. Этого ничего не будет. А что будет — так это будет выведена из строя вся радиоэлектроника». Вся цифра, все спутники.
Вот эта камера, на которую меня сейчас снимают, вот этот телефон, который рядом со мной лежит. Мы вернемся с вами в год этак какой-нибудь 93-й. Проводные телефоны. Двушечка или не двушечка, я не помню, в телефоне-автомате.
Я вам скажу: чудесно же жили.
Эта фраза звучит словно объявление о том, что эффективный источник термоядерной энергии заработал и теперь дело переходит в индустриальную плоскость. Увы, всё обстоит совсем не так. Настоящий энергетический выход — то есть сколько получено термоядерной энергии по сравнению с полной затраченной энергией — остается очень низким, не более одного процента.
Поэтому ни о каком полезном применении для энергетики ни сейчас, ни в обозримом будущем речи пока не идет. Исследования здесь находятся лишь в стадии доказательства принципиальной работоспособности технологии. Тем не менее полученный NIF результат пусть и не сенсационен, но тоже очень важен. Он на порядок лучше, чем всё то, что на NIF удавалось получить до сих пор, и к тому же заключает в себе первые серьезные намеки на принципиальную осуществимость проекта.
Управляемый термоядерный синтез Есть два основных типа ядерных реакций, которые идут с выделением энергии, — это расщепление тяжелых ядер например, урана или плутония и слияние легких ядер обычно дейтерия и трития — тяжелых изотопов водорода, рис. Энергия, получаемая при расщеплении — это то, что обычно называется ядерной энергией, именно на ней работают атомные электростанции. Энергия, получаемая при слиянии, называется термоядерной энергией, а сам процесс — термоядерным синтезом. Энергетический выход термоядерной реакции существенно выше, чем у ядерного топлива, однако приручить этот тип энергии пока не удалось.
Конечно, существуют атомные бомбы, работающие по обоим принципам, но их взрыв представляет собой неуправляемую реакцию, и для целей добычи энергии он не подойдет. Классическая реакция термоядерного синтеза: ядра дейтерия и трития сливаются друг с другом с образованием альфа-частицы и свободного нейтрона и с выделением энергии. Рисунок из статьи M. Herrmann, 2014.
Plasma physics: A promising advance in nuclear fusion Большинство специалистов связывают основные надежды по достижению управляемого термоядерного синтеза с магнитными ловушками , и прежде всего с международным проектом ITER для первого серьезного знакомства можно порекомендовать лекцию Кристофера Ллуэллин-Смита На пути к термоядерной энергетике. Но параллельно с этим уже давно разрабатывается и другая схема для запуска управляемой термоядерной реакции — инерциальный термоядерный синтез. Она еще не так развита, как термояд с магнитным удержанием, но некоторые специалисты надеются, что именно на этом пути будет получен первый удобный источник термоядерной энергии. Принцип работы инерциального термоядерного синтеза звучит просто.
Берем маленькую капсулу с дейтериево-тритиевой смесью и резко сжимаем ее, например, с помощью сверхмощного лазерного импульса. Капсула от такого сжатия сильно нагревается, и в самом ее центре в условиях высоких температур и давлений зажигается термоядерная реакция. Выделяющаяся энергия разогревает остальную часть дейтериево-тритиевого горючего, и термоядерная реакция охватывает всю капсулу. Подставляя всё новые и новые капсулы под лазерный луч, мы получаем постоянное производство энергии.
К сожалению, техническая реализация этой простой идеи неимоверно сложна. Трудности здесь, в основном, технического характера прежде всего, неустойчивости при сжатии капсулы , но преодолеть их пока не получается. Для той же установки NIF моделирование показывает, что термоядерная реакция вроде бы должна при нынешних параметрах запускаться без проблем, но физикам до сих пор не удавалось не только выйти на этот режим, но и даже приблизиться к нему. Главный результат новых публикаций NIF заключается как раз в том, что эмпирическим путем был подобран такой режим работы, при котором по крайней мере одна трудность была преодолена, и стали появляться первые намеки на настоящую термоядерную реакцию с хорошим энергетическим выходом.
Работа установки NIF Чтобы зажечь термоядерную реакцию в капсуле с топливом, требуется создать в ее центре область очень высокой температуры порядка 100 млн градусов и большой плотности. При меньшей температуре реакция термоядерного синтеза толком не начнется, а при низкой плотности центральная область быстро остынет, не сумев дать заметный энергетический выход. Но для полноценного термоядерного горения этого мало. Если мы хотим, чтобы центральная область не просто загорелась и потухла, а породила самоподдерживающийся термоядерный синтез во всей капсуле, нужно, чтобы топливо разогревало само себя.
Это происходит тоже при высоких плотностях, когда рождающиеся в термоядерном синтезе альфа-частицы поглощаются прямо внутри топливной капсулы, а не улетают прочь. Таким образом, можно сформулировать три ключевых задачи для установки NIF: 1 добиться существенного термоядерного синтеза — количество энергии, выделившейся при синтезе, должно превышать энергию, поглощенную топливом; 2 добиться устойчивого термоядерного горения всей топливной капсулы за счет саморазогрева альфа-частицами; 3 добиться полной эффективности выше единицы — то есть энергетический выход должен превышать всю энергию, затраченную на зажигание реакции, а не только ту часть, которая поглощается непосредственно топливом. Достижение этих целей — задача исключительно непростая.
Термоядерная установка «Глобус-М», сооружённая в Физико-техническом институте им. Изобретение уже получило патент. Разработка позволит решить одну из основных задач в области термоядерного синтеза — уберечь стенку термоядерного реактора от воздействия раскалённой до миллионов градусов плазмы, заключённой внутри него.
Хотя плазма удерживается и сжимается при помощи магнитного поля, её потоки всё равно могут соприкасаться со стенкой реактора. Это приводит не только к нагреву стенки, но и к распылению материала, из которого сделана стенка реактора, то есть к расщеплению его на атомы, которые затем попадают в качестве примеси в плазму. В результате процесса распыления плазма существенно охлаждается, что может помешать термоядерному синтезу.
Энергия 5—10 МДж является достаточно высокой, поэтому ищутся возможности снижения энергии драйвера и, следовательно, мощности термоядерного импульса. Это можно сделать в режиме быстрого зажигания fast ignition. В этом режиме первичной порцией энергии драйвера термоядерная область сжимается до высоких плотностей при сравнительно низкой температуре ионов. На второй стадии часть термоядерного горючего разогревается за короткое время мощным импульсом ионным или лазерным. В разогретой части горючего инициируется термоядерное горение, которое далее должно распространиться на все термоядерное горючее. В экспериментах по отработке технологии получения предварительно подогретой плазмы зарегистрирован рекордный нейтронный выход за импульс 5.
На установке "Каскад" продемонстрирована принципиальная возможность получения долгоживущей плазмы в камерах МАГО. По сравнению со стационарными системами в МАГО в силу импульсного характера ее работы опасны не все неустойчивости, а только быстро растущие. Недостатком системы МАГО является высокая чувствительность к примесям тяжелых химических элементов, источником которых может быть вещество, смываемое со стенок камеры, и изолятор, испаряющийся на входе в камеру. Создание системы МАГО не требует дорогостоящих накопителей энергии.
МЫ БЫЛИ ПЕРВЫМИ
- Мирный термояд – почти реальность
- Иллюстрации
- Что такое токамак?
- Последние комментарии
- Впервые осуществлена безубыточная термоядерная реакция: Наука: Наука и техника:
FT: американцы добились прироста чистой энергии в термоядерном синтезе и совершили прорыв
| Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова - МК | Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен! |
| Физика плазмы и инерциальный термоядерный синтез | — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. |
| Самая грандиозная научная стройка современности. Мы закуем Солнце в «бублик» | Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. |
| Вестник РАН. T. 91, Номер 5, 2021 | Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. |
Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
Делается вывод о том, что термоядерные исследования способны выступать и уже выступают мощным драйвером научно-технологического прогресса, механизмом, стимулирующим. Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание. Американцы совершили прорыв в изучении термоядерной энергии. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский.
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
познакомьтесь с новейшими разработками, впечатляющими функциями и глубоким анализом ядерной физики. На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора. 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 впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. Делается вывод о том, что термоядерные исследования способны выступать и уже выступают мощным драйвером научно-технологического прогресса, механизмом, стимулирующим. Слишком часто разработчики термоядерных реакторов сталкивались с непредсказуемостью, завышенными оценками, новыми неприятными фактами из области физики плазмы.
Что еще почитать
- Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
- Почему сложно построить реактор для синтеза
- Выбор сделан - токамак плюс - Российская газета
- Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
- Термоядерную установку, у которой нет аналогов в мире, запустили в Курчатовском институте