Ещё с 1950-х годов прошлого века физики мечтали использовать термоядерный синтез для получения энергии, но прежде не получалось добыть больше энергии. — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку.
Инновации и наука
- Российский ученый раскрыл секреты искусственного солнца, которое зажгли в Китае
- Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
- Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
- Как причесать ежа, или попытки удержать плазму
Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
Для рекордных выстрелов были получены следующие данные. Температура доходит до 60 млн градусов, а это уже достаточно для запуска термоядерной реакции синтеза. Изображения центральной горячей зоны в сеансе работы 27 сентября 2013 года. Изображения a, b — это вид сбоку и сверху в мягких рентгеновских лучах, цвет здесь передает относительную яркость свечения. Изображение c — реконструированный трехмерный профиль области горячей зоны, в которой видны небольшие деформации.
Изображение d — нейтронный «снимок» центральной области; красная область отвечает нейтронам с энергией 13—17 МэВ и непосредственно показывает область реакции, голубой цвет — нейтроны с энергией от 6 до 12 МэВ. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Энергетический баланс реакции подводился с помощью рентгеновских и нейтронных наблюдений рис. Они показали, что самая горячая центральная область оставалась более-менее сферической вплоть до максимального сжатия — это доказывает, что физикам до какой-то степени удалось побороть неустойчивость при сжатии. Размеры горячей области и длительность ее свечения позволили найти, сколько энергии было поглощено топливом примерно 9 кДж в выстреле 19 ноября.
А зная нейтронный поток, можно было сосчитать энергетический выход реакции — около 17 кДж. Таким образом, в рекордном выстреле в ходе термоядерной реакции было произведено примерно вдвое больше энергии, чем было вложено в топливо. Второй важный результат, полученный в рекордных выстрелах, тоже можно увидеть на рис. Опять же, благодаря совокупности наблюдений удалось выяснить, какая часть нейтронного потока была вызвана простым нагревом из-за сжатия, а какая возникла за счет дополнительного разогрева альфа-частицами.
Выяснилось, что в рекордных выстрелах дополнительный разогрев увеличивал поток примерно вдвое, и это намного превышало предыдущие значения. Таким образом, этот процесс впервые эффективно заработал в NIF, а значит, еще немного — и будет достигнута вторая цель NIF, полноценное самоподдерживающееся термоядерное горение всего топлива в капсуле. Измерения показали, что во время рекордных выстрелов выгорело лишь несколько процентов от всего объема дейтериево-тритиевого топлива. Если реакцию удастся запустить, энергетический выход возрастет еще как минимум на порядок.
Что нужно сделать исследователям, чтобы достичь этой цели? Общая идея ясна: надо постараться повысить плотность или размер центральной области хотя бы раза в два. Этого можно достичь, еще больше увеличив скорость сжатия капсулы за счет повышения энергии вспышки. Технически это сделать можно, проблема только в том, что чем больше энергия, тем более неустойчивым будет сжатие.
Впрочем, авторы статьи пишут, что у них есть еще идеи, как с этой неустойчивостью можно бороться. Во-первых, они хотят поэкспериментировать с формой камеры. Когда камера испаряется под действием лазерного импульса, возникающее облачко плазмы в какой-то мере помнит форму камеры, а значит, от нее зависит и равномерность облучения капсулы. Во-вторых, можно попробовать и другие материалы для оболочки капсулы — это может сказаться на том, какие ударные волны запускаются внутрь топлива при нагреве и расширении этой оболочки.
А вот что касается третьей, самой главной цели NIF — достижения энергетического выхода, превышающего всю затраченную на выстрел энергию, — то тут работа предстоит еще очень долгая. Пока что энергетический баланс в рекордном выстреле таков. Полная энергия световой вспышки составляет примерно 2 МДж. Она тратится на испарение и нагрев камеры, и лишь небольшая ее доля примерно 150 кДж поглощается капсулой.
Но даже эта энергия тратится в основном на нагрев и расширение пластиковой оболочки, так что непосредственно топливу передается всего около 10 кДж. Выделившаяся энергия в 17 кДж, конечно, превышает энергию, поглощенную топливом, но по сравнению со всей энергией вспышки это сущий пустяк. Энерговыделение надо увеличить раз в сто — вот тогда главная цель будет считаться достигнутой. Реально ли это сделать на установке NIF или нет — пока непонятно.
Тем не менее поиск небезнадежен.
В результате был преодолён порог «зажигания», как называют его учёные — когда энергия, произведённая синтезом, превысила энергию запустивших реакцию лазеров. О первых успехах учёные отчитались в 2014-м, однако производимая тогда реакцией энергия была крохотной — примерно столько потребляет 60-ваттная лампочка за пять минут. На коммерциализацию и широкое распространение данной технологии могут уйти десятилетия — так сказала Кимберли Будил, директор Ливерморской национальной лаборатории. Технология развивается, и при нужных усилиях и соответствующих инвестициях мы через несколько десятилетий исследований сможем построить электростанцию.
Самый тугоплавкий металл — вольфрам, однако его теплопроводности для эффективного охлаждения стенки недостаточно. Медь обладает очень высокой теплопроводностью, но её нельзя применять для стенок реактора из-за легкоплавкости — металл просто атомизируется при взаимодействии с плазмой и попадёт внутрь реактора, что ухудшит качество плазмы. Также по теме Российский токамак с реакторными технологиями ТRТ находится на стадии разработки эскизного проекта, концепция будущего термоядерного... Однако учёные придумали, как объединить свойства обоих металлов в одной конструкции. Этот слой будет принимать на себя основную атаку — и плазмы, и химически активного лития», — объяснил RT кандидат химических наук, заведующий лабораторией гетерогенного синтеза тугоплавких соединений ИФХЭ РАН Владимир Душик. Созданное таким методом вольфрамовое покрытие не имеет пор, что является важным преимуществом — это исключает риск взаимодействия медной подложки с агрессивной средой.
Напомним, тогда, затратив 2,05 МДж на питание лазеров, ученые получили 3,15 МДж энергии. Повторный эксперимент был нужен для того, чтобы подтвердить, что первоначальный успех не был случайностью и технология действительно позволяет генерировать больше энергии, чем затрачивается на запуск реакции. 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.
Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
Несмотря на то, что это время было коротким, оно уже показывает, что более плотная плазма может быть управляемой в токамаке. Исследователи использовали метрику под названием H98 y, 2 для оценки эффективности, с которой реактор токамака удерживает плазму. Как объясняют ученые, если значение H98 y, 2 больше 1, это означает, что плазма остается стабильной и хорошо удерживается, что и было сделано в эксперименте. Повторение эксперимента на более крупном реакторе После такого успеха ученые хотят экстраполировать результаты на более крупные установки. В частности, они думают об ИТЭР, экспериментальном токамаке нового поколения, который сейчас строится во Франции. Однако исследователи подчеркивают, что воспроизвести тот же эксперимент на реакторе такого размера может быть очень сложно. По их словам, небольшое изменение начальных условий может привести к кардинально иным результатам.
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. 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.
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. Но у него будет ряд принципиальных отличий.
Прежде всего из-за увеличенных размеров качественно изменятся параметры плазмы. Кроме того, будут впервые испытаны в таком масштабе сверхпроводящая магнитная система, новые системы дополнительного нагрева плазмы и многое другое. И есть подозрение, что у них это получится быстрее, чем у международного консорциума. Кто в итоге выживет, это пока вопрос.
Скорей всего, термоядерный реактор будет построен на базе классического токамака. Но для сферических токамаков может найтись своя ниша, а их коммерческое применение может начаться гораздо раньше. Гибридные технологии Как выяснилось, мало нашим физикам-ядерщикам сферической модернизации термоядерного реактора. Сейчас, по словам Минаева, в нашей стране параллельно запускается процесс разработки и создания гибридной электростанции, основанной на термоядерной и ядерной технологиях.
Это позволит эффективней удерживать плазму? Мы хотим за счет термоядерных технологий решить проблему с «замыканием» ядерного топливного цикла. Представляете, мы сможем нарабатывать искусственное топливо для атомных реакторов, получать в реакторе энергию, а после дожигать отработанное топливо до безопасного состояния, чего раньше никогда не было. До сих пор мы просто захоранивали ядерные отходы, накапливая их.
В целом новая гибридная атомная станция будет значительно безопасней и экологичней. Отсутствие большого количества опасных отходов также позволит повысить экспортный потенциал нашей атомной промышленности. Развивая эту технологию, мы оставим своим потомкам более чистую планету, без залежей ядерных отходов. Мы будем использовать термоядерный реактор как мощный источник нейтронов для получения ядерного топлива.
При этом параметры плазмы в таком термоядерном источнике нейтронов могут быть существенно ниже, чем в чисто термоядерном энергетическом реакторе, а размеры — существенно меньше, чем у того же ИТЕРа. Следовательно, такой реактор-источник будет значительно дешевле. Но самое главное: реализация гибридной концепции позволит существенно сократить время, требующееся для внедрения уже наработанных термоядерных технологий в коммерческий оборот.
То есть, условно, на мишень попал 1 мегаджоуль, а выделилось 1,2 мегаджоуля.
Но на самом деле надо смотреть, сколько установка потребила энергии из розетки. Это будут совсем другие цифры. Все это пока сильно охлаждает мысль о том, что завтра у нас будут фабрики с термоядерными управляемыми реакторами. И там тоже будет использоваться рентгеновский диапазон излучения для обжатия мишени, как и американцев, но есть свои интересные наработки.
Работы пока проводятся на уровне энергии в несколько десятков килоджоулей.. На полный уровень энергии 2. Первая — это проблема устойчивости плазмы. На бумаге все было красиво, но жизнь внесла свои коррективы.
Оказалось, что в реальности добиться сферического обжатия мишени очень сложно. Второе — не хватало мощности лазеров. По сравнению с первыми экспериментами они сегодня в несколько сотен раз мощнее. Им придется восстанавливать установку еще довольно долго.
Но если коротко, многим, чем мы сегодня обладаем, мы обязаны этому человеку. Это и идея термоядерного синтеза, которая воплощается на наших глазах, и спутниковая навигация.
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку. Делается вывод о том, что термоядерные исследования способны выступать и уже выступают мощным драйвером научно-технологического прогресса, механизмом, стимулирующим. Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии.
«Это показатель технологического развития страны»
- Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза / / Независимая газета
- Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
- Прорыв в термоядерном синтезе | Канал Наука | Дзен
- МЫ БЫЛИ ПЕРВЫМИ
- Другие новости
Ракетчики начали строить термоядерный двигатель
Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. Кажется, физики только что переписали основополагающее правило для термоядерных реакторов, обещающих миру почти бесконечную энергию. Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF). Институт Ядерной Физики (ИЯФ).
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
Порождённые этим процессом рентгеновские лучи пронизали шарик топлива, состоящего из дейтерия и трития. За время меньшее 100 триллионных долей секунды шарик принял на себя 2,05 МДж энергии и выдал поток нейтронов, порождённых синтезом, унесших с собой 3 МДж энергии — в полтора раза больше, чем было потрачено. В результате был преодолён порог «зажигания», как называют его учёные — когда энергия, произведённая синтезом, превысила энергию запустивших реакцию лазеров. О первых успехах учёные отчитались в 2014-м, однако производимая тогда реакцией энергия была крохотной — примерно столько потребляет 60-ваттная лампочка за пять минут.
Это может привести к смещению графика завершения строек на следующий этап проекта и к "заморозке" сооружения новых запланированных объектов. Чтобы этого избежать и обеспечить полноценное продление РТТН на период до 2030 года, как это определено Указом Президента Российской Федерации, абсолютно необходима поддержка правительства, всех вовлеченных в процесс федеральных органов исполнительной власти.
Без этого, если финансирование федерального проекта и РТТН в целом будет вестись по остаточному принципу и подвергаться периодическому "обрезанию", наши амбициозные цели останутся таковыми лишь на бумаге. Токамак - это тот редкий случай, когда название научной установки, созданной в нашей стране, разошлось по миру и стало международным брендом. А что означает словосочетание "токамак с реакторными технологиями"? И какие перспективы у такого, извините за сравнение, мутанта? Или это "токамак плюс"?
Виктор Ильгисонис: Это рабочее название установки следующего поколения, сооружение которой должно было стать основной задачей программы РТТН на этапе 2025-2030 годов. 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"?
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. 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.
Другими словами, превышение этой плотности чревато разрушением стенок реактора. Команда вводила дейтерий, чтобы замедлить термоядерную реакцию и контролировать ее поведение. Несмотря на то, что это время было коротким, оно уже показывает, что более плотная плазма может быть управляемой в токамаке. Исследователи использовали метрику под названием H98 y, 2 для оценки эффективности, с которой реактор токамака удерживает плазму. Как объясняют ученые, если значение H98 y, 2 больше 1, это означает, что плазма остается стабильной и хорошо удерживается, что и было сделано в эксперименте. Повторение эксперимента на более крупном реакторе После такого успеха ученые хотят экстраполировать результаты на более крупные установки. В частности, они думают об ИТЭР, экспериментальном токамаке нового поколения, который сейчас строится во Франции.
Прорыв в термоядерном синтезе
В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных. Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения.
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы. Специалисты Института ядерной физики СО РАН уверены, что для Сибири термоядерный взрыв будет иметь катастрофические последствия. Институт Ядерной Физики (ИЯФ). Ученые Института ядерной физики а СО РАН (ИЯФ, Новосибирск) добились ускорения плазмы в термоядерной установке "СМОЛА", где вещество удерживается. Слишком часто разработчики термоядерных реакторов сталкивались с непредсказуемостью, завышенными оценками, новыми неприятными фактами из области физики плазмы. Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание.