Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. Как рассказал Михаил Ковальчук, для проведения фундаментальных исследований в области термоядерной физики первым делом приобретаются подобные установки. В запущенном в Китае реакторе термоядерного синтеза использовалось достижение российских ученых, создавших устройство, отслеживающее температуру плазмы. Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора.
Американские физики повторно добились термоядерного зажигания
После прихода к власти нацистов в январе 1933 года Фукс перешёл на нелегальное положение, а в июле того же года бежал во Францию, откуда перебрался в Великобританию. Работал аспирантом в лаборатории физика Невилла Мотта в Бристольском университете, где в декабре 1936 года получил степень доктора философии по физике. С 1937 года по рекомендации Мотта работал в лаборатории Макса Борна в Эдинбургском университете, в соавторстве с Борном написал ряд научных статей. После начала Второй мировой войны, в апреле 1940 года, Фукс был интернирован как гражданин враждебной державы и провёл полгода в лагере на острове Мэн, а затем в Канаде. После ходатайств ряда учёных в декабре 1940 года был освобождён и вернулся в Англию. В 1940 году Фукса включили в группу Рудольфа Пайерлса, работавшую в Бирмингемском университете над уточнением критической массы урана и проблемой разделения изотопов в рамках британского ядерного проекта.
В 1942 году Клаус получил британское гражданство. Тогда же ему было поручено наблюдение за работами по германскому атомному проекту, для чего он получил доступ к совершенно секретным материалам «Интеллидженс сервис». После нападения Германии на СССР Фукс разделял взгляды о необходимости более активного участия Великобритании в войне, а также о необходимости более широкой помощи воюющему Советскому Союзу. 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.
Так что мечта о бесконечном и чистом топливе пока остается далекой. Британская аэрокосмическая компания Pulsar Fusion собирается первой в мире запустить в космосе двигатель термоядерного синтеза. Предполагается, что эта технология позволит сократить время полета на Марс вдвое, а до Титана с десяти до двух лет. По мнению Ричарда Динана, главы компании, такие ракетные двигатели — «неизбежность» для космонавтики. Компания сообщила, что начала строительство опытной установки в Блетчли Англия. Также по теме.
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. В NIF используется инерциальный управляемый термоядерный синтез ICF , когда реакция инициируется путем теплового сжатия мишеней размером с булавочную головку с помощью лазеров. Однако чтобы доказать, что тип синтеза, проводимый в NIF, может быть жизнеспособным методом производства энергии, эффективность выхода — высвобождаемая энергия по сравнению с энергией, которая идет на создание лазерных импульсов — должна вырасти в 100 и более раз. Этот результат все еще далек от фактического прироста энергии, необходимого для производства электроэнергии Тони Роулстоун, эксперт в области термоядерного синтеза из Кембриджского университета Теоретически проблемы, связанные с низкой эффективностью лазерного нагрева, могут быть решены путем повышения скорости испускания импульсов и быстрого отвода тепла и мусора из камеры для запуска следующей мишени.
Попробуем разобраться, что случилось.
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».
ядерная физика
| Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза | Некоторые физики считают применение гелия-3 в термоядерных реакторах неграмотным и настаивают на том, что все доводы в пользу этого элемента — обычная глупость. |
| Поддерживаемый Биллом Гейтсом стартап по термоядерному синтезу превзошел температуру Солнца | Как рассказал Михаил Ковальчук, для проведения фундаментальных исследований в области термоядерной физики первым делом приобретаются подобные установки. |
| Термоядерный синтез | Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. |
| Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить | Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. |
Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". Проблемы термояда обсудили на 50‑й Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в Звенигороде 20–24 марта. Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен! Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5.
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
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. Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём. Зачем на самом деле строится самый большой термоядерный реактор.
ядерная физика
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. Практически с момента начала работ над УТС высказывались идеи об использовании термоядерных нейтронов для производства делящихся изотопов как основы ядерного топлива для АЭС или боеприпасов. В своих воспоминаниях, относящихся к 1951 г. Так как выделение энергии на один акт реакции при процессе деления гораздо больше, чем при процессе синтеза, экономические и технические возможности такого комбинированного двухступенчатого производства энергии оказываются выше, чем при получении энергии непосредственно в термоядерном реакторе. Сегодня при анализе так называемого гибридного подхода, сочетающего термоядерный источник нейтронов ТИН и окружающий его бланкет с сырьевым материалом или отработавшим ядерным топливом ОЯТ , гибридный реактор рассматривают в двух возможных ипостасях: как наработчик топлива для традиционных реакторов деления, используемых на существующих или планируемых АЭС, и как высокоэффективный дожигатель минорных младших актинидов, накапливающихся в результате работы ядерных реакторов. Реакторы деления, составляющие основу существующей атомной энергетики, будут обеспечены делящимися изотопами, произведёнными в гибридных реакторах. Существенно, что бланкет гибридного реактора работает в подкритическом режиме с внешним источником нейтронов, что исключает последствия запроектных аварий с изменением мощности реактивностные аварии и с захолаживанием теплоносителя без срабатывания систем защиты. Оценки показывают, что наибольший эффект в продвижении интегрированной синтез—деление технологии топливного цикла реализуется при ориентации на уран-ториевый топливный цикл, к числу преимуществ которого принято относить следующие.
Уран-233 — делящийся изотоп, получаемый из природного тория, наиболее привлекателен для реакторов на тепловых нейтронах. Запасы тория-232 в природе в 3—4 раза больше в сравнении с природным ураном. При добыче тория радиационные нагрузки на окружающую среду принципиально меньше по сравнению с аналогичными, существующими при добыче природного урана. Облучение урана-233 в реакторе не сопровождается накоплением трансурановых актинидов, и проблема трансмутации минорных актинидов с целью создания условий экологической приемлемости современного уран-плутониевого цикла практически устраняется. Вместе с тем, хотя возможность использования ториевого цикла была известна и обсуждалась ещё на заре становления ядерной энергетики, исторически сделанный выбор в пользу уран-плутониевого цикла нельзя сбрасывать со счетов, равно как и определённые трудности, связанные с реализацией ториевого цикла. В любом случае эту концепцию следует рассматривать в увязке с экономикой и ключевыми проблемами атомной энергетики по обеспечению её устойчивого развития и замыкания топливного цикла. Особенность настоящего момента заключается в том, что современный уровень знаний и имею-щиеся наработки в области УТС достаточны для создания ТИН, требования к параметрам плазмы и конструкционным материалам в котором заметно ниже, чем для энергетического реактора, и возможность удовлетворения которых уже подтверждена экспериментально. В соответствии с заключёнными для реализации проекта ИТЭР международными соглашениями каждый партнёр, в том числе Российская Федерация, имеет право на получение безвозмездных лицензий на использование технологий, созданных в рамках проекта ИТЭР для собственных национальных целей. Поэтому все участники проекта ИТЭР кроме России имеют собственные национальные программы и проекты, финансируемые на уровне, превышающем вклады этих стран в проект ИТЭР.
Такие национальные программы необходимы, кроме всего прочего, для освоения и использования полученных при строительстве и последующей эксплуатации ИТЭРа результатов и технологий. В начале 2016 г. Ковальчука к главе государства было дано поручение подготовить национальную программу развития управляемого термоядерного синтеза и плазменных технологий. Реализация комплексной программы начинается в 2021 г.
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? Как сделать надежной и недорогой лазерную установку, которая должна выдавать несколько мегаджоулей раз в секунду или около того, тогда как сегодня ее подготовка к одному выстрелу занимает полдня, и как быстро устранять ее неисправности? Многие десятилетия результаты установок с инерциальным удержанием вызывали скепсис и уныние, а строительство новых установок финансировалось только военными. Казалось, что это направление никогда не перейдет в рост. Но последние два года показали, что это была экспонента, по которой ученые уже прошли большую часть и преодолели большинство принципиальных физических проблем. Остались инженерные и экономические трудности, которые могут стать и запретительными на пути к инерциальной термоядерной энергетике, а могут и нет.
А потом, уже в конце 1980-х гг. Оказалось, что наши результаты по выходному продукту в сотни раз лучше, чем американские. Как всегда в таких случаях, требуется примерно два года, чтобы нас услышали. Поначалу был определенный уровень недоверия, но потом решили проверить результаты в совместном эксперименте на «Ангаре-5-1». В 1993 г. Сначала в 1992 г. Они просили приехать в следующем году со своей диагностикой и проверить наши результаты. Министерство разрешило нам провести совместный эксперимент. Оказалось, что результаты, которые они получили, даже лучше, чем то, что намерили мы. Но в основном все совпало. Повторилась ситуация, которую мы имели в конце 1960-х гг. Академик Л. Арцимович, руководитель программы УТС того времени, пригласил английских физиков приехать в Курчатовский институт с новой диагностикой и сопоставить измеренные параметры с нашими измерениями. Все подтвердилось, и даже больше. После этого практически все лаборатории мира, связанные с работами по магнитному удержанию плазмы, стали делать токамаки. Сейчас с нашим участием строится первый экспериментальный реактор ITER, в котором мощность термоядерной реакции должна в 10 раз превзойти мощность, затрачиваемую на поддержание реакции. 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.
Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций стоимостью 3,5 миллиарда долларов изначально строился для испытаний ядерного оружия через имитацию взрывов, но с тех пор использовался для исследований в области термоядерной энергии. Gizmodo США : сможет ли человечество использовать термоядерный синтез как источник энергии? Ученые давно ведут поиски альтернативных источников энергии для спасения планеты. Один из них — управляемый термоядерный синтез. Разговоры о нем идут уже не одно десятилетие, и, судя по всему, его использование может начаться совсем скоро, считает автор статьи. Он взял интервью у ряда экспертов, чтобы узнать, способны ли термоядерные реакции обеспечить электроэнергией весь мир. Большинство исследований в этой области сосредоточено на другом подходе — так называемом синтезе с магнитным удержанием. При нем водородное топливо удерживается на месте мощными магнитами и нагревается настолько, что атомные ядра сливаются. Исторически эти исследования вели крупные государственные лаборатории формата ДЖЭТа или Объединенного европейского токамака в Оксфорде, но в последние годы инвестиции хлынули и в частные компании, которые сулят выработать термоядерную энергию уже в 2030-х.
Эра термоядерного синтеза
В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М. К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+». К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. познакомьтесь с новейшими разработками, впечатляющими функциями и глубоким анализом ядерной физики. И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире.
Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика
К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и. Как рассказал Михаил Ковальчук, для проведения фундаментальных исследований в области термоядерной физики первым делом приобретаются подобные установки. Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times. И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире.