В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных.
Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+». Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние. все новости, связанные с понятием "Термоядерный синтез ". Регулярное обновление новостного материала. Ещё с 1950-х годов прошлого века физики мечтали использовать термоядерный синтез для получения энергии, но прежде не получалось добыть больше энергии. Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём. Слишком часто разработчики термоядерных реакторов сталкивались с непредсказуемостью, завышенными оценками, новыми неприятными фактами из области физики плазмы.
Американские физики повторно добились термоядерного зажигания
Нынешний рекорд составил 403 секунды чуть менее 7 минут. Предыдущий рекорд был установлен на том же EAST в 2017 году и составлял 101 секунду. С момента начала работы в 2006 году EAST является открытой испытательной платформой для китайских и международных ученых для проведения экспериментов и исследований, связанных с термоядерным синтезом.
Центральная камера сантиметрового размера, внутри которой помещается капсула с топливом. Конечно, последствия термоядерной реакции были замечены, но эта реакция была слабоватой. Даже если сравнивать выделившуюся энергию с той энергией, которая непосредственно поглощается топливом, то выход тут до недавнего времени составлял от силы 20—30 процентов рис. Таким образом, NIF долгое время не удавалось даже достичь первой цели из приведенного выше списка. Результаты работы NIF за последние два с половиной года.
По горизонтали отмечены отдельные лазерные «выстрелы» шестизначный номер кодирует год-месяц-день выстрела и для каждого выстрела показаны три величины: энергия, поглощенная топливом черная отметка , энергия, выделившаяся в термоядерном синтезе за счет сжатия синяя колонка , дополнительная термоядерная энергия, связанная с саморазогревом топлива альфа-частицами красная колонка. Полная высота колонки показывает всю термоядерную энергию, выделившуюся при выстреле. Правая часть гистограммы, отмеченная как «high foot», отвечает новому режиму сжатия капсулы. Вставка показывает распределение выстрелов на диаграмме двух величин: по горизонтали обобщенный критерий Лоусона GLC единица соответствует полноценному запуску реакции , по вертикали — доля нейтронного потока, вызванного разогревом альфа-частицами, по сравнению с прямым сжатием. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Вообще, надо сказать, что работает NIF очень неторопливо — два-три лазерных «выстрела» в месяц. Это и неудивительно: каждый выстрел уничтожает камеру с капсулой и требуется определенное время на ее установку, накопление энергии и подготовку нового выстрела. Из-за этой неторопливости и дороговизны всей установки к концу 2012 года сложилась угрожающая ситуация — руководству NIF пришлось даже отчитываться перед Конгрессом США о целесообразности продолжения этих исследований.
Действительно, несколько десятков попыток в течение 2011—2012 годов не привели ни к какому улучшению, а вся работа NIF выглядела топтанием на месте. Тем ценнее то, что удалось в NIF реализовать в 2013 году. Исследователи научились эффективно применять новую схему управления лазерными лучами. Во-первых, они задавали определенный временной профиль мощности лазерного импульса, а во-вторых, они независимо настраивали частоту разных лазерных лучей, попадающих в камеру под разными углами. Это позволило настраивать зависимость от времени того рентгеновского излучения, которое возникает при испарении камеры и сжимает капсулу. Отчасти с оглядкой на формулы, а отчасти эмпирическим путем был подобран временной профиль, при котором температура испарившейся камеры сначала резко прыгает до миллиона градусов, а потом в два этапа — до 2,5 миллионов такой режим был назван профилем с высоким подножием, «high-foot». При таком нагреве в капсуле запускается три умеренно сильных ударных волны, которые вызывают меньшие деформации, чем раньше.
В результате центр капсулы удается сжать до меньших размеров и больших плотностей, что приводит к повышению температуры и более эффективной термоядерной реакции. Действовать методом проб и ошибок — дело очень ответственное при таком неторопливом режиме работы. Первые несколько комбинаций параметров не принесли успеха, и только три последние попытки позволили резко повысить энергетический выход по сравнению со всеми прошлыми попытками рис. Рекордными оказались выстрелы, произведенные 27 сентября и 19 ноября прошлого года. Опубликованные в статьях результаты относятся прежде всего к этим двум сеансам работы. Рекордные выстрелы Наблюдение за результатами лазерного выстрела велось с помощью целого арсенала инструментов — применялось свыше 50 различных диагностических методик! Это позволило проследить за всеми аспектами схлопывания капсулы и восстановить физические условия в этом процессе.
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.
Так что, в науку я попал неслучайно В школе я любил алгебру, геометрию и физику. С девятого класса я учился в специализированном лицее с физико-математическим уклоном. А потом поступил на кафедру экспериментальной ядерной физики в Политехнический тогда еще институт в Санкт-Петербурге.
Преддипломную практику я проходил на токамаке «Глобус-М» в Физико-техническом институте им. Иоффе в группе лазерной диагностики плазмы. Экспериментальная работа на термоядерной установке настолько меня увлекла, что после окончания института я решил связать свою жизнь с наукой!
Смирнов: термояд — голубая мечта человечества 18. Это так? Потому что у нас самый главный по термояду — Е. Когда-то я был его первым помощником в этом деле. Сегодня в связи со многими изменениями главный помощник Евгения Павловича в термоядерных исследованиях — В.
Ильгисонис, который был директором НИЦ «Курчатовский институт». Потом он перешел в «Росатом», где возглавляет направление научно-технических исследований и разработок, в частности по термояду. И я очень рад, на этих выборах мы его избрали членом-корреспондентом. Это замечательный, глубокий ученый. Нам всем повезло, что приходит следующее поколение высокого уровня. Когда вы сюда пришли, все здесь только разворачивалось. Вы участвовали в создании установки «Ангара 5-1», на фоне которой мы сейчас разговариваем. Расскажите, пожалуйста, для чего создавался этот институт, какие цели и задачи перед ним ставились?
Здесь была создана магнитная лаборатория, задача которой состояла в проведении исследований, связанных с размагничиванием военных кораблей. За работой этой лаборатории наблюдал будущий директор Института атомной энергии им. А потом эта лаборатория трансформировалась в филиал Курчатовского института. Этот филиал возглавлял академик М. Миллионщиков, к которому пришел работать Е. Это ученый мирового уровня с очень широким диапазоном интересов. Но главная его активность состояла в развитии термоядерных исследований в нашей стране. Первые работы института были связаны с низкотемпературной плазмой.
Были выполнены замечательные исследования по лазерной физике, по созданию мощных газоразрядных лазеров. Эта работа продолжается до сих пор. Поскольку было необходимо создать площадку для крупномасштабных плазменных работ в области термоядерных исследований, здесь было решено создать два крупных комплекса. Один — «Ангара-5-1», а другой — токамак с сильным полем ТСП. Комплекс ТСП еще больше, он просто громаден, занимает целое здание в семь этажей. К нему примыкают четыре здания с ударными генераторами с общим энергозапасом в 4 ГДж. Строительство таких огромных комплексов, таких термоядерных устройств было начато в 1978 г. В настоящее время этот институт, переживший переименование из Филиала Института атомной энергии им.
Исследования по управляемому термоядерному синтезу первоначально начались в середине 50-х гг. У нас же первый термоядерный проект был запущен в начале 1970-х гг. Куртмуллаев, и у него была очень интересная идея магнитной ловушки. Она была пионерской, лучшей по тем временам, но не смогла стать кардинальным решением термоядерных проблем. Самое интересное, что в настоящее время эта часть работы остановлена, а в США с использованием той физики, которая здесь была наработана, строится термоядерная установка, в которой обещают получать энергию синтеза в безнейтронном цикле. Это реакция «протон — бор-11». Это была трудная работа? Надо сказать, что одновременно с большим токамаком, который здесь строился, был привезен из Курчатовского института небольшой токамак.
И на этом токамаке начались и идут по сей день очень важные исследования и по физике, и по технологиям. В термояде существуют два направления. Одно из них, называемое магнитным удержанием, связано с созданием реактора, в котором в плазме, удерживаемой магнитным полем, постоянно выделяется энергия синтеза, как в непрерывно работающей топке. А второе направление — так называемое инерционное удержание, которое предполагает организацию повторяемых взрывов небольшой порции смеси дейтерия и трития и высвобождение энергии. И если вы делаете такие последовательные взрывы, то это подобно двигателю внутреннего сгорания. Сегодня, спустя очень большое время, по мере развития работ по термоядерной энергетике абсолютное первенство принадлежит системам с магнитным удержанием. В первую очередь это токамаки, изобретенные в Курчатовском институте.
Новый термоядерный рекорд: китайский токамак удерживал плазму 403 секунды
К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. В запущенном в Китае реакторе термоядерного синтеза использовалось достижение российских ученых, создавших устройство, отслеживающее температуру плазмы.
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и. Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание.
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
Наблюдается удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных значений нейтронного выхода во всем исследованном диапазоне сдвигов. Эти результаты показывают, что, несмотря на чрезвычайно широкий диапазон изменения характера газодинамического течения, наблюдается удовлетворительное согласие расчетного и экспериментального значений нейтронного выхода и времени сжатия капсулы с DT-газом. Впоследствии данная установка получила название "УФЛ-2M". Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений физики высоких плотностей энергии. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Мишени прямого облучения представляют собой полую стеклянную или полимерную сферическую оболочку с высокой однородностью толщины, заполненную либо газообразной смесью дейтерий-тритий, либо дейтерием. Диаметр сферы от 200 до 1000 мкм, толщина стенки 0,5—15 мкм, давление газа внутри оболочки 1—100 атм. На внешнюю поверхность сферы может быть нанесено какое-либо покрытие. Мишени непрямого облучения представляют собой мишень прямого облучения, заключенную в сферический или цилиндрический кожух диаметром 1—4 мм из металла с высоким атомным номером. Мишень для исследования уравнения состояния в лазерных экспериментах представляет собой базовую пластину из алюминия или меди толщиной 40—60 мкм, на одну из сторон которой нанесены в виде ступеньки слои из материала базы и исследуемого материала толщиной 4—10 мкм. Ступеньки отстоят друг от друга на расстоянии 50—100 мкм.
Униполярный электрический ток, наводимый в тороидальной плазме при помощи индуктора, не может существовать вечно с электротехнической точки зрения токамак представляет собой трансформатор с одновитковой вторичной обмоткой — плазмой. Сегодня предложено и экспериментально проверено несколько способов неиндукционного поддержания тока, среди которых уже упомянутая инжекция пучков быстрых нейтральных атомов. Можно использовать и ввод обладающих компонентой импульса в тороидальном направлении электромагнитных волн различного диапазона: электронного циклотронного, нижнегибридного, а также свистового волны-геликоны.
Весьма интересен и крайне важен так называемый бутстрэп-эффект bootstrap , заключающийся в формировании анизотропной функции распределения заряженных частиц неоднородной плазмы в магнитной конфигурации токамака эффект связан с тороидальной геометрией токамака и в цилиндре отсутствует. Точно так же большинство физических вопросов, казавшихся непреодолимыми на начальном этапе работ по УТС, таких как управление равновесием, многочисленные неустойчивости, аномальные процессы переноса, сегодня решены на практическом уровне. В конечном счёте наиболее принципиальной сегодня можно считать задачу устранения негативного воздействия стенки, ограничивающей разряд, и других взаимодействующих с плазмой элементов.
Проблема взаимодействия плазма—стенка для УТС двоякая. С другой стороны, существует обратное влияние на плазму. Выбиваемые из стенки примесные атомы и молекулы поступают и могут накапливаться в плазме, приводя к дополнительным потерям на излучение, диссипации тока и даже деградации разряда.
Накопление примесей вблизи стенки продуктов её эрозии увязывают с сокращением длительности разряда. Кроме того, стенка может довольно эффективно абсорбировать изотопы водорода, служащие термоядерным горючим. Отчётливо видно, что для сверхпроводящих систем повышение длительности разряда пока удаётся совмещать только со снижением нагрузки на стенку.
Одна из них заключается в использовании жидкого лития как материала с низким зарядовым числом в промежуточном слое между плазмой и стенкой или пластинами дивертора. При этом возможные функции такого литиевого слоя могут несколько разниться. Литий должен собираться специальными литиесборниками и очищаться от абсорбированных продуктов — но уже вне камеры.
Извлечённые изотопы водорода направляются в систему подачи топлива. Кроме того, часть принимаемой литиевым слоем энергии может высвечиваться в виде ультрафиолетового излучения, снижая температуру пристеночной плазмы и способствуя более равномерному распределению тепловой нагрузки по стенке камеры [ 11 ]. Большие объёмы циркулирующего лития и его проникновение в основную плазму — вот основные трудности на пути реализации этого подхода.
Можно ли обеспечить относительно быстрое ламинарное течение тонкого слоя жидкого лития по металлической пластине, полностью поглощаю-щего попадающие в него частицы плазмы так называемый случай нулевого рециклинга? Будет ли при этом автоматически достигаться улучшение удержания плазмы в основном объёме реактора и, как следствие, повышение температуры? Продуктивность этой концепции [ 12 ] и иных возможностей использования лития требует детальной экспериментальной проверки.
Дальнейшая экстраполяция этой концепции заключается в полном отказе от стенки, ограждаю-щей плазменный объём. Речь идёт о проработке возможности сооружения магнитного термоядерного реактора в космосе на околоземной орбите.
Кроме того, отметил Багрянский, установлено, что спиралевидное магнитное поле очень эффективно ограничивает поток плазмы, то есть удерживает его. Ранее сообщалось, что для создания реактивного двигателя достаточно температуры плазмы в 100 тыс. По замыслу ученых, в перспективе термоядерная установка позволит создать двигатели мегаваттной мощности, что значительно превышает расчетные показатели разрабатываемых ядерных электрореактивных двигателей и позволяет использовать ее для межпланетных перелетов. Установка основана на совершенно новом принципе - плазма в так называемой магнитной ловушке удерживается вращающимся магнитным полем, закрученным в спираль винт Архимеда.
Система шинопроводов, которая собирается из сегментов до 12 м длиной и весом 2—4 т, соединит электросеть с магнитной системой реактора и устройствами быстрого вывода энергии, а также с оборудованием для нагрева плазмы. Оно не имеет аналогов в мире. Эти аппараты обеспечивают защиту сверхпроводниковых катушек магнитной системы в случае перехода сверхпроводника в резистивное близкое к критическому состояние и являются важными компонентами защиты. Четыре уже доставлены на стройплощадку. Проблемы и решения На самой масштабной инновационной стройке мира не обходится без проблем. Продолжительность ремонта термоэкранов оценивается примерно в два года». Еще одна проблема возникла при сварке секторов вакуумной камеры.
Эра термоядерного синтеза
Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке». Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике. Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР. Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. С середины прошлого века физики всего мира ищут возможность воспроизвести реакцию термоядерного синтеза, происходящую в центре звезд.
и
Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. Зачем на самом деле строится самый большой термоядерный реактор.