На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора.
Эра термоядерного синтеза
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. Не говоря уже о том, что переход к ИТЭР означает адаптацию метода к плазменной камере с внешним радиусом 6,2 метра, в то время как для DIII-D этот показатель составляет 1,6 метра.
Это отражает фундаментальные проблемы ядерного синтеза и сложность, с которой придется столкнуться ученым, прежде чем будет создан коммерчески жизнеспособный реактор.
На первый взгляд заголовки статей очень впечатляют: в NIF получен энергетический выход, превышающий поглощенную мишенью энергию. 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.
Все благодаря международной команде ученых и инженеров в Оксфордшире», — заявил министр ядерной энергетики и сетей Великобритании Эндрю Боуи. Проект разрабатывается с середины 1980-х годов, закончить строительство главной конструкции планируют в 2025 году. В готовом виде токамак ИТЭР будет представлять собой 60-метровое сооружение массой 23 000 т. Знаете, почему термоядерный реактор не могут построить уже 50 лет?
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. 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.
Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
| Новый термоядерный рекорд: китайский токамак удерживал плазму 403 секунды | Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times. |
| Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества | Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. |
| #термоядерный синтез | Все самое интересное и актуальное по теме "Ядерная физика". |
| : истории из жизни, советы, новости, юмор и картинки — Горячее | Пикабу | Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. |
Прорыв в термоядерном синтезе
И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире. Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР. К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Европейский токамак обновил рекорд по количеству полученной в ходе термоядерной реакции энергии. «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции.
Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова
Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times. Реакции термоядерного синтеза позволяют получать энергию без радиоактивных отходов и оставления углеродного следа. Как рассказал Михаил Ковальчук, для проведения фундаментальных исследований в области термоядерной физики первым делом приобретаются подобные установки.
Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза
| Американские физики повторно добились термоядерного зажигания | Европейский токамак обновил рекорд по количеству полученной в ходе термоядерной реакции энергии. |
| Выбор сделан - токамак плюс | Физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии, чем потребил. |
| Искусственное солнце: как первый в мире термоядерный реактор изменит мир | Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. |
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. С середины прошлого века физики всего мира ищут возможность воспроизвести реакцию термоядерного синтеза, происходящую в центре звезд. Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора. Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии.
Выбор сделан - токамак плюс
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. Существует еще и открытый тип реактора — зеркальные ловушки, или, образно говоря, «магнитные бутылки», имеющие на концах магнитные «пробки» или магнитные «зеркала».
На концах такого реактора, возле «пробок», магнитное поле сильное, в центре — слабее. Частицы плазмы привязаны к силовым линиям магнитного поля и движутся от одной «пробки» к другой, каждый раз отражаясь от них. Конструкция такого реактора получается более простой, а значит, дешевой и легкой в сборке. Такая зеркальная ловушка, модель будущего реактора открытого типа, есть в новосибирском Институте ядерной физики им. Она считается лучшей установкой такого типа в мире: среди них ей принадлежит рекорд по температуре -10 миллионов градусов. Но на этом новосибирцы останавливаться не намерены.
В планах — скрестить открытую ловушку с ядерным реактором, сделать технологию гибридной о подобной технологии мы писали выше. Еще одна очень интересная технология. Этот проект, который, если все пойдет по плану, может значительно улучшить имидж атомной энергетики, который несколько пострадал после аварии на Фукусиме. Никаких нейтронов, загрязняющих окружающую среду, при этом нет — только чистая энергия. Правда, протон и бор идут на сближение еще труднее, чем дейтерий с тритием, а потому платой за явные преимущества их «союза» является гораздо более высокая температура зажигания реакции — миллиард градусов Цельсия. Это горячее, чем на Солнце!
Оно разве не вредное? При строительстве энергетической станции на основе этой технологии вокруг реактора будет построена железобетонная защита, которая обеспечит полную безопасность. Только в центре токи, текущие в плазме, такие мощные, что способны поменять знак магнитного поля реактора. При этом образуется сгусток плазмы, в котором силовые линии магнитного поля замкнуты, и в таком реакторе плазма очень хорошо удерживается. Кроме того, атомы пучка захватываются в плазме и создают те самые токи, в магнитном поле которых она удерживается. Этот инжектор создает направленный поток нейтральных атомов водорода со скоростью более 10 тысяч километров в секунду и с мощностью до 10 мВт в одном пучке.
Именно такие инжекторы мы разрабатываем для проекта Tri Alfa Energy. Такой реактор будет снабжать энергией сам себя, выделяя ее при этом значительно больше.
Синтезом как таковым давно никого не удивишь — первую термоядерную бомбу испытали еще в середине прошлого века, примерно столько же ученые трудятся над прототипом термоядерного реактора. Но здесь ученым удалось достичь положительного КПД, причем уже трижды. Как утверждают в лаборатории LLNL, лазеры направили в камеру реактора около 2 мегаджоулей энергии, а в результате синтеза выделились более 3 мегаджоулей. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом?
Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский: Дмитрий Побединский популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» «Многие считают, что это довольно сомнительно, потому что очень много мощных лазеров фокусируются на очень маленькой мишени, в которой запускается в небольших масштабах замедленная реакция и очень быстро выделяется много энергии. По сути, получается маленький термоядерный взрыв. И как преобразовывать выделяющуюся энергию в полезную мощность — большой вопрос. Ее много выделяется за очень короткое время. Конкретно эта технология в плане эксперимента наверняка интересная, но в практическом и энергетическом плане с этим намного сложнее.
В токамаке ITER используется дивертор полоидального типа.
На «горячей стенке» всегда присутствуют загрязнения, которые прилипают к ней в результате адсорбции. При нагреве эти загрязнения испаряются и попадают в плазму. Там они ионизируются и начинают интенсивно излучать. Возникают дополнительные радиационные потери эти потери пропорциональны второй степени эффективного заряда плазмы. Тем самым плазменный шнур охлаждается, а горячая стенка перегревается. Дивертор непрерывно «обдирает» с плазменного шнура внешний слой где концентрация примесей наиболее высока.
Для этого, с помощью небольшого магнитного поля, внешние слои шнура направляются на интенсивно охлаждаемую водой мишень. Здесь плазма охлаждается, нейтрализуется, превращается в газ, а затем откачивается из камеры. Таким образом, примеси не проникают в сердцевину шнура. Кроме того, в токамаке ITER дивертор служит для осаждения и удержания бериллиевой пыли, образующейся при испарении «горячей стенки» бланкета. Поэтому его на сайте ITER ещё шутливо называют «ashtray» пепельница. Если не удалять пыль из зоны горения, она попадёт в плазменный шнур, разогреется, и тоже начнёт излучать.
Это вызовет в свою очередь, перегрев горячей стенки, её повышенный износ испарение и радиационное распыление и образование новых порций пыли. Дивертор ITER состоит из пяти мишеней с щелями между ними. Металлическая пыль скатывается с пологих поверхностей мишеней и попадает в щели. Оттуда ей очень трудно вновь попасть в плазменный шнур. Дивертор выполнен из 54 кассет [25] , общим весом 700 т. Корпус кассеты — высокопрочная нержавеющая сталь.
По мере износа кассеты будут демонтироваться, и на их место устанавливаться другие. Мало какой материал способен длительно срок службы токамака 20 лет выдерживать такой нагрев. На начальных стадиях проектирования токамака планировалось выполнить мишени из углеродного композита, армированного углеродным волокном англ. Система охлаждения дивертора будет работать в околокипящем режиме. Суть этого режима такова: теплоноситель дистиллированная вода начинает закипать, но ещё не кипит. Микроскопические пузырьки пара способствуют интенсивной конвекции, поэтому этот режим позволяет отводить от нагретых деталей наибольшее количество тепла.
Однако есть и опасность — если теплоноситель всё-таки закипит, пузырьки пара увеличатся в размерах, резко снизив теплоотвод. Для контроля за состоянием теплоносителя на ITER установлены акустические датчики. По шуму, который создают пузырьки в трубопроводах, будет оцениваться режим, в котором находится теплоноситель. Системы нагрева плазмы[ править править код ] Для того, чтобы ядра трития вступили в реакцию слияния с ядрами дейтерия, они должны преодолеть взаимное электростатическое отталкивание — кулоновский барьер.
Россия принимает в нем самое активное участие. Это — огромная установка, чья стоимость сегодня оценивается в 22 млрд евро. Чтобы запустить процесс на ИТЭР, плазму надо разогреть в токамаке — огромной полой баранке, где высокотемпературную плазму «держат на весу» мощные сверхпроводящие магниты. Это позволит проводить первые операции по разогреву плазмы.
В 2035 году реактор должен выйти на полную мощность и будет производить больше энергии, чем потребляет. Но это еще не скоро. Например, лазерным излучением. Такая установка разрабатывается в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, США. Научный комплекс National Ignition Facility NIF за несколько миллиардных долей секунды усиливает и фокусирует 192 мощных лазера на мишени размером несколько квадратных сантиметров. Температура мишени превышает 100 миллионов градусов, давление — 100 миллиардов атмосфер.