Институт Ядерной Физики (ИЯФ).
Термоядерный синтез
Например, там будут использоваться высокотемпературные сверхпроводники, которые пока нигде не применялись. Они используются при изготовлении катушек. Аналогичные разработки ведутся в США и в Великобритании. Гаспарян уточнил, что термоядерный реактор безопаснее, потому что в обычном происходит самоподдерживающаяся реакция деления, которая в случае аварии, как на «Фукусиме», может приводить к нежелательным последствиям. В термоядерном реакторе такого сценария быть не может.
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. 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.
Этого достаточно, чтобы на несколько минут обеспечить питанием обычный дом или вскипятить чайник примерно 70 раз. По данным Space. Это крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор. Его используют для удержания физической плазмы магнитным полем.
Токамак с реакторными технологиями, сокращенно - ТРТ, призван совместить уже имеющиеся достижения в удержании высокотемпературной плазмы с практической отработкой технологий, необходимых для создания энергетического термоядерного реактора. Какие именно технологии и системы для этого нужны? Виктор Ильгисонис: Это инновационные разработки магнитных систем, конструктивных элементов бланкета, дивертора, первой стенки. Это оригинальные системы топливного цикла, нагрева плазмы и отвода энергии и многое другое. Плазма в реакторе ИТЭР должна быть в десять раз горячее солнечного ядра, а температура в его криостате в 30 раз ниже, чем в морозильнике А разве этого нет в проекте ИТЭР?
Виктор Ильгисонис: В том-то и дело. Наши решения оригинальны, таких нет ни в проекте ИТЭР, ни в национальных проектах зарубежных коллег. Абсолютно закономерно, что проект ТРТ возник в России - он способен вернуть нашей стране прежнее лидерство, во многом утраченное за постсоветское время. Так что ТРТ - не мутант, а, скорее, естественный продукт эволюции. И его перспективы будут зависеть от той поддержки со стороны правительства в финансировании программы РТТН, о которой мы уже говорили. К концу 2024 года планируем завершить разработку эскизного проекта и отработать ряд ключевых элементов технического проекта. Так что при одобрении "сверху" сооружение ТРТ к 2030 году - вполне реальная задача. У "Росатома" есть действующее соглашение с РАН. Как оцениваете участие академических институтов в совместной реализации федерального проекта "Термоядерные и плазменные технологии"? Виктор Ильгисонис: Как абсолютно необходимое.
Дело в том, что все академические институты - участники проекта "Термоядерные и плазменные технологии" - имеют собственные уникальные компетенции, освоение которых в контуре "Росатома" заведомо нецелесообразно, если мы исповедуем государственный подход. О других и не говорим… Виктор Ильгисонис: Так вот: уже упомянутый мною Институт прикладной физики в Нижнем Новгороде разрабатывает и производит лучшие в мире гиротроны - специальные устройства для мощного нагрева электронной компоненты плазмы. Новосибирский ИЯФ создает источники ионов и нейтральных атомов высокой энергии, которые приобретаются всеми ведущими мировыми лабораториями. Санкт-Петербургский физтех - признанный авторитет в методах высокочастотного нагрева плазмы… Список можно продолжать. И сказанное в полной мере относится не только к институтам РАН, но и к организациям НИЦ "Курчатовский институт", к вовлеченным в проект университетам. Какие риски здесь можно и должно прогнозировать с учетом нарастающих антироссийских санкций? Виктор Ильгисонис: Вопрос о пользе нашего участия задают уже лет пятнадцать - с того момента, как проект стартовал.
Искусственное солнце: как первый в мире термоядерный реактор изменит мир
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.
Но для этого важны три условия: высокая температура порядка 150 млн градусов по Цельсию , высокая плотность плазмы и высокое время ее удержания. Дело в том, что создать такую колоссальную плотность, как у Солнца, нам не удастся. Остается только нагревать газ до состояния плазмы посредством сверхвысоких температур. Но ни один материал не способен вынести соприкосновения со столь горячей плазмой. Для этого академик Андрей Сахаров с подачи Олега Лаврентьева в 1950-е годы предложил использовать тороидальные в виде пустотелого бублика камеры с магнитным полем, которое удерживало бы плазму.
Позже и термин придумали — токамак. Современные электростанции, сжигая ископаемое топливо, конвертируют механическую мощность кручения турбин, например в электричество. Токамаки будут использовать энергию синтеза, абсорбируемую в виде тепла стенками устройства, для нагрева и производства пара, который и будет крутить турбины. Первый токамак в мире. Советский Т-1.
И они успешно доказали, что человек может создать высокотемпературную плазму и удерживать ее некоторое время в стабильном состоянии. Но до промышленных образцов еще далеко. Монтаж Т-15. Первый можно вырабатывать на самом реакторе: высвобождающиеся во время синтеза нейтроны будут воздействовать на стенки реактора с примесями лития, из которого и появляется тритий. Запасов лития хватит на тысячи лет.
В дейтерии тоже недостатка не будет — его в мире производят десятками тысяч тонн в год. Термоядерный реактор не производит выбросов парниковых газов, что характерно для ископаемого топлива. А побочный продукт в виде гелия-4 — это безвредный инертный газ. К тому же термоядерные реакторы безопасны. При любой катастрофе термоядерная реакция попросту прекратится без каких-либо серьезных последствий для окружающей среды или персонала, так как нечему будет поддерживать реакцию синтеза: уж слишком тепличные условия ей необходимы.
Однако есть у термоядерных реакторов и недостатки. Прежде всего это банальная сложность запуска самоподдерживающейся реакции. Ей нужен глубокий вакуум. Сложные системы магнитного удержания требуют огромных сверхпроводящих магнитных катушек. И не стоит забывать о радиации.
Несмотря на некоторые стереотипы о безвредности термоядерных реакторов, бомбардировку их окружения нейтронами, образующимися во время синтеза, не отменить. Эта бомбардировка приводит к радиации. А потому обслуживание реактора необходимо проводить удаленно. Забегая вперед, скажем, что после запуска непосредственным обслуживанием токамака ITER будут заниматься роботы. К тому же радиоактивный тритий может быть опасен при попадании в организм.
Правда, достаточно будет позаботиться о его правильном хранении и создать барьеры безопасности на всех возможных путях его распространения в случае аварии. К тому же период полураспада трития — 12 лет.
Термоядерный синтез — это процесс, при котором два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое, высвобождая большое количество энергии. В 1960-х годах группа ученых-первопроходцев из LLNL выдвинула гипотезу, что лазеры можно использовать для индукции термоядерного синтеза в лабораторных условиях. Ученые развивали идею термоядерного синтеза с инерционным удержанием в лаборатории в течение почти 60 лет, пока впервые достигли успеха. Хотя текущее количество энергии, которое получает установка, лишь незначительно превышает затраты, возможность выхода в «плюс» — большой прорыв для термоядерной энергетики.
Термоядерная гонка Для того чтобы понять степень сложности проблемы, мы обратились к специалисту — ведущему научному сотруднику Физико-технического института им. В дальнейшем ученые постоянно совершенствовали конструкцию токамаков, улучшая параметры удерживаемой в них плазмы примерно на порядок каждое последующее десятилетие. При этом токамаки неизменно увеличивались в размерах. Наш Т-15, увы, так по-настоящему и не заработал.
Погубили его... Не сами по себе — причина тут чисто экономическая: для охлаждения сверхпроводников нужно было много жидкого гелия, который в то сложное время оказался слишком дорог для российских ученых. Сегодня вместо Т-15 строится новый токамак, без сверхпроводников, который обещают запустить в ближайшее время. В Великобритании и США же тем временем получили плазму с рекордными параметрами и провели первые эксперименты с использованием дейтерия и трития.
Американцы спустя несколько лет утилизировали свою установку, чтобы построить на ее месте новый токамак, — такая у них политика. Но самым большим токамаком в мире на сегодняшний день пока по-прежнему остается JET. Почему так долго не удается запустить полноценную реакцию? Тем не менее до коммерческого реактора еще достаточно далеко.
В числе причин — отсутствие ряда технологий, ресурс реактора, его размеры. Есть надежда, что в ИТЕРе нам все-таки удастся запустить самоподдерживающуюся реакцию. Кстати, в этом экспериментальном токамаке-реакторе будут использоваться те же сверхпроводники, которые когда-то стояли на нашем Т-15. Они позволят поддерживать поле в магнитных катушках без значительного расхода мощности.
Реакция полностью контролируема. Энергетические сферы Параллельно с классическими токамаками в конце 80-х стало развиваться еще одно направление — сферических токамаков, форма которых больше напоминала уже не бублики, а пончики или шарики. Первая экспериментальная установка, построенная в Оксфордшире, рядом с JET, показала, что в такой конфигурации лучше удерживается плазма более высокой плотности. После этого интерес к таким установкам проявили в исследовательских центрах во многих странах мира.
Когда установки были запущены, почти у всех трех была выявлена одна общая проблема — плохо удерживались заряженные частицы с большой энергией. Для исправления ситуации требовалось увеличить магнитное поле. В итоге все три «ушли» на модернизацию до 2016—2017 годов. Однако после перерыва, в 2018 году, запустить свой токамак удалось только ученым из Санкт-Петербурга.
Их обновленный «Глобус» стал называться «Глобусом-М2». Конечно, это меньше, чем на большом торе у европейцев, но их показатели нельзя сравнивать из-за небольших размеров нашего «Глобуса», который имеет диаметр всего 36 сантиметров диаметр JET — около 3 метров. На «Глобусе-М2» мы пытаемся проверить правильность выбора сферической формы для термоядерного реактора, понять, будет ли у него преимущество по удержанию плазмы, будет ли он превосходить классический тор по энергозатратам.
Ракетчики начали строить термоядерный двигатель
Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция. Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов. Специалисты Института ядерной физики СО РАН уверены, что для Сибири термоядерный взрыв будет иметь катастрофические последствия. Реакции термоядерного синтеза позволяют получать энергию без радиоактивных отходов и оставления углеродного следа. — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков.
Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
С середины прошлого века физики всего мира ищут возможность воспроизвести реакцию термоядерного синтеза, происходящую в центре звезд. Как рассказал Михаил Ковальчук, для проведения фундаментальных исследований в области термоядерной физики первым делом приобретаются подобные установки. 83-летний физик Питер Хиггс, еще в 60-х предсказавший существование поля, которое отвечает за массу всех элементарных частиц, расплакался.
Американские физики повторно добились термоядерного зажигания
В конце концов был создан комплекс NIF размером со спортивный стадион, где лазеры используются для создания температур и давлений, подобных тем, что возникают в ядрах звезд и планет-гигантов, а также внутри ядерных взрывов Ударные волны от взрыва заставляют дейтериево-тритиевое топливо сжиматься до давления в сотни гигабар, что создает в его центре горячую точку с температурой около 10 миллионов кельвинов. В таких условиях экстремальная температура, сравнимая с температурой звезд, приводит к тому, что изотопы водорода начинают сливаться с образованием ядер гелия, высвобождая дополнительную энергию и создавая каскад термоядерных реакций. Термоядерные реакции синтеза производят альфа-частицы, энергия которых нагревает все остальное топливо. Исследователи классифицирует ее как воспламенение англ. Ignition — самоподдерживающую реакцию термоядерного синтеза, при которой выделяется больше энергии, чем тратится на ее поддержание.
Чтобы добиться безубыточной реакции синтеза, физики внесли изменения в ход эксперимента, основываясь на результатах предыдущих исследований. Они увеличились мощность лазеров примерно на восемь процентов, а также изготовили мишень с меньшим количеством дефектов и отрегулировали способ подачи энергии, чтобы взрыв внутрь был более сферическим. До коммерческого получения термоядерной энергии еще далеко Пока что о коммерческом получении термоядерной энергии речь не идет. Дело в том, что воспламенение не компенсирует всю энергию, потраченную на работу лазеров — около 322 мегаджоулей, — а только ту, что была потрачена непосредственно на нагрев мишени.
От этого результата до электростанций, работающих на реакциях термоядерного синтеза, — дистанция огромного размера». Вот и директор LLNL Ким Будил считает, что еще предстоит преодолеть «значительные препятствия» в отношении технологии термоядерного синтеза, прежде чем ее можно будет использовать в глобальных масштабах — или для начала в любом масштабе, если уж на то пошло. Такой процесс может занять годы или даже еще несколько десятилетий. Прежде всего NIF — это неимоверной сложности установка. Например, накопители конденсаторы для питания лазеров — это целое футбольное поле. Во-вторых, сейчас уже вполне отработана технология реакторов на быстрых нейтронах.
Уран, который эти реакторы позволяют вовлечь в ядерно-топливный цикл, дешевый, его много. В общем, физика процесса — интересная: исследование свойств веществ при сверхвысоких давлениях и сверхвысоких температурах. Пусть занимаются. Повторяю, это очень интересная физика. Но коммерческое использование этого достижения — не раньше, чем через несколько десятилетий. Как шутят сами физики, занимающиеся термоядом, через 50 лет или, может быть, на два дня раньше».
Действительно, заявления типа «Ученые США впервые в мире смогли получить от термоядерного синтеза больше энергии, чем на него потратили», «Научные прорывы в этой сфере позволят человечеству в будущем полностью отказаться от ископаемого топлива» существенно переоценивают значение эксперимента на установке NIF. Да, полученной «сверхнормативной» энергии хватит, чтобы вскипятить 10—15 чайников. Но журнал Nature напоминает: на работу всей установки потратили 322 МДж; лазеры выдали мощность на топливо, равную 2,05 МДж; конечная реакция произвела 3,15 МДж. Но с точки зрения промышленности все остается на своих местах: потратили 322, получили 3,15», — резюмируют сотрудники Московского инженерно-физического института в Telegram-канале «Эвтектика из МИФИ». Но в этой гонке принципов — токамаки vs инерциальный термояд — как-то оказался отодвинутым на периферию научного и государственного, что важно! Этот сценарий, как бы, зеркально противоположен лазерному термояду.
Если в реакторе NIF происходит внешнее обжатие капли термоядерного топлива, то в пузырьковом варианте, наоборот, нейтроны рождаются в результате экстремального схлопывания газовых пузырьков. Любопытно, что теоретическую схему этого процесса предложил как раз академик Роберт Нигматулин в середине 1990-х. По крайней мере в 1995 году он уже выступал с докладом «Перспективы пузырькового термояда» на научной конференции в США. Несколько американских физиков заинтересовались теоретическими выкладками российского ученого, и начались «камерные» лабораторные эксперименты.
На основе найденных величин можно будет рассчитать кинетику ядерных превращений для расчета коэффициента полезного действия КПД конкретной энергетической термоядерной или гибридной ядерной установки. Результаты исследования помогут развитию энергоэффективной термоядерной энергетики.
Хотя подход Z-пинч тестировался еще в 1950-х, исследователи столкнулись с проблемой быстрого угасания плазмы.
Zap заявляет, что решила ее с помощью стабилизации сдвигового потока — инновации, которая теоретически может продлить срок жизни Z-пинч плазмы почти до бесконечности. Однако выбранное Zap топливо — тритий, безумно дорогое. Несмотря на экономию на сверхпроводящих магнитах, этот факт может стать препятствием для коммерциализации технологии, если не будет решена проблема быстрого и дешевого производства трития, или не найдена подходящая замена.
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Как рассказал Михаил Ковальчук, для проведения фундаментальных исследований в области термоядерной физики первым делом приобретаются подобные установки. Пара слов о физике плазмы: на волне Волна боянов, Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост. Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР. Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного.
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М. В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М. Зачем на самом деле строится самый большой термоядерный реактор. К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём.