29 управляемый термоядерный синтез: Управляемый термоядерный синтез | это… Что такое Управляемый термоядерный синтез?

Как укротить термоядерный синтез и зачем он нам нужен? / Хабр

Мы уже писали о неожиданных и примечательных идеях и разработках в области получения энергии от ядерного распада. А также о том, что приходится делать, когда с ядерными реакторами что-то идёт не так. Свобода, как известно, лучше несвободы, а синтез — лучше распада. Именно так подумали учёные ещё сто лет назад, когда сделали первые шаги по укрощению термоядерного синтеза. В этой статье мы кратко расскажем, что такое термоядерный синтез, на каком этапе находятся научные разработки и когда стоит ждать внедрения нового способа добычи энергии. В конце концов, именно за этим он и нужен человечеству.

Staring at the Sun: история открытия термоядерного синтеза

С развитием науки человечество начало задаваться вопросом о том, как работает Солнце, почему не гаснет и продолжает выделять тепло и свет. Ещё в двадцатых годах прошлого века — почти сто лет назад — британский учёный Артур Стэнли Эддингтон выступал с идеями протон-протонного цикла, то есть совокупности термоядерных реакций, в ходе которых водород в звёздах превращается в гелий. И сопутствует этой реакции выделение колоссальных объёмов энергии, что легко можно ощутить, просто выйдя на улицу в солнечный день.

Чуть позже, уже в тридцатые годы, учёные из Кембриджского университета под руководством австралийца Марка Олифанта в результате ряда экспериментов обнаружили нуклоны (общее название составляющих атомное ядро протонов и нейтронов) гелия-3 и трития, принимающие участие в этих реакциях, а их немецкий коллега, Ханс Бете, получил Нобелевскую премию по физике за вклад в теорию ядерных реакций и, особенно, за открытия, касающиеся источников энергии звёзд. Уже в 1946 году сэр Джордж Паджет Томсон и Моисей Блэкман описали и запатентовали идею Z-pinch, то есть системы удержания плазмы при помощи магнитного поля или «магнитной ловушки», которая легла в основу дальнейших экспериментов по созданию первых устройств управляемого термоядерного синтеза.

Лабораторная магнитная ловушка, фото: Sandpiper / Wikimedia Commons

Бесконечная мощь: преимущества, недостатки и препятствия для реализации

От истории перейдём к общей теории. Управляемый термоядерный синтез — это процесс получения более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью (в теории) использования выделяемой энергии для добычи электричества. По своей сути он противоположен реакции распада, которая применяется в традиционной ядерной энергетике. В основном для проведения реакции термоядерного синтеза используются дейтерий и тритий (так называемая реакция D-T), хотя также возможны варианты с дейтерием и гелием-3, между ядрами дейтерия (D-D) и другими сочетаниями изотопов.

Сами по себе атомные ядра взаимодействуют не особо охотно из-за «кулоновского барьера», то есть силы электростатического отталкивания между ними. Чтобы преодолеть её и начать реакцию в земных условиях, вещество необходимо нагреть до достаточно высокой температуры, причём речь в данном случае идёт о сотнях миллионов градусов. Именно от этого процесса термоядерный синтез и получил своё название. Сочетание дейтерия и трития в данном случае требует «минимальной» температуры для начала реакции (тех самых 100 млн градусов), поэтому в экспериментальных установках оно используется чаще всего.

Реакция термоядерного синтеза D-T. Источник: Toshiba Energy Systems &Solutions Corporation

Также в ходе реакции появляется большое количество нейтронов, но об их значении поговорим чуть ниже, а сперва постараемся пояснить, почему коммерческое применение этого процесса вообще будоражит умы человечества последние 70 лет. Итак, преимущества управляемого термоядерного синтеза:

1. Сравнительная доступность изотопов для реакции. Дейтерий достаточно легко можно получить из морской воды, запасов которой на Земле более чем достаточно. Тритий в природе не встречается, так как имеет период полураспада всего в 12,3 года, но его получают из лития-6 и тяжёлой воды ядерных реакторов, от использования которых мы в ближайшие годы отказаться не готовы.
2. Колоссальная энергоэффективность реакции — при сжигании, например, 1 грамма угля выделяется 34 тысячи джоулей энергии, а газа или нефти — 44 тысячи. Слияние атомов дейтерия и трития даёт 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт), то есть около 170 млрд джоулей тепла в пересчёте на 1 грамм массы вещества.
3. Электростанции на базе управляемой термоядерной реакции из-за особенностей конструкции не должны способствовать увеличению «парникового» эффекта, то есть производить парниковые газы, угарный газ и пылевые облака — выгодное отличие от, например, ТЭС.
4. Так же выгодно эти электростанции должны отличаться от АЭС, так как термоядерный реактор намного безопаснее. Реакция синтеза требует огромных затрат энергии и в земных условиях не может бесконечно длиться без подпитки извне. Это значит, что даже в случае аварии и повреждения оболочки мы не столкнёмся с расплавлением, радиоактивным заражением всего и вся на многие километры вокруг, а также с цепной реакцией или взрывом.

К тому же, при термоядерном синтезе не выделяются вещества, которые впоследствии возможно использовать для изготовления «грязного» оружия.

Токамак JET, фото: EFDA JET / Wikimedia Commons

Но почему же тогда сам принцип управляемого термоядерного синтеза, разработанный в середине прошлого века, до сих пор не реализован на практике либо реализован только в качестве экспериментальных установок, которые так и не начали производить электроэнергию? Давайте рассмотрим недостатки и ограничения этого процесса.

Сперва вернёмся к нашим нейтронам. В процессе реакции с применением D-T образуется нейтронный поток, который бомбардирует стенки защитной оболочки реактора. В результате мы имеем дело с так называемой «наведённой» радиацией, которая сильно усложняет обслуживание оборудования и, вполне возможно, приведёт к необходимости его периодической замены, так как со временем от бомбардировки нейтронами материалы становятся не только радиоактивными, но и хрупкими. Для решения этой проблемы предлагается использовать малочувствительные к радиации материалы, которые прослужат дольше, но их применение увеличит и без того колоссальные расходы на постройку электростанций термоядерного синтеза. Также рассматривается применение других действующих веществ, чтобы получить «безнейтронные» реакции, но о требованиях к плотности и температуре реакции для них мы уже говорили выше.

Ещё при текущем уровне развития технологий учёные и инженеры не могут добиться того, чтобы расход энергии на нагрев и доведение вещества в реакторе до состояния плазмы, а затем на поддержание его в этом состоянии, несмотря на постоянную потерю тепла (а также на охлаждение системы, работу электромагнитов и других подсистем), упал ниже, чем количество выделяемой в ходе реакции энергии. Например, британский токамак JET достиг соотношения между поступающей и отдаваемой энергией всего в 67%, то есть 0,67 Q. Q — показатель, который выражает отношение количеств затраченной и полученной в такой системе энергии, и для того, чтобы реакция термоядерного синтеза считалась самоподдерживающейся, он должен быть равен хотя бы 5, а для выработки полезных мощностей — намного выше. На сегодняшний день реакторов с таким значением в мире не существует.

Финальным вопросом, конечно, является окупаемость и стоимость. Чтобы добиться точной имитации реакций внутри Солнца, недостаточно просто взять тритий и дейтерий и поднести к ним условную спичку. Реактор термоядерного синтеза — это невероятно сложная, громоздкая и дорогая конструкция, в которой нашлось место массивной системе охлаждения, огромному количеству электромагнитов разных типов и даже собственным электростанциям.

По оценкам, расходы на строительство экспериментального токамака ITER (о нём ниже), которое ещё не завершено, могут превысить 20 млрд долларов. При этом реактор вообще не рассчитан на производство электроэнергии, то есть единственной прибылью от эксплуатации ITER будет опыт совместной работы учёных и экспериментальные данные.

Практическая магия: основные типы конструкции и вехи их развития

Условно установки для управляемого термоядерного синтеза можно разделить на четыре типа: токамаки, стеллараторы, зеркальные ловушки и импульсные системы. На их примере мы предлагаем рассмотреть как развитие идей, которые в дальнейшем могут привести к производству электроэнергии при помощи термоядерного синтеза, так и «тупиковые» ветви, которые по тем или иным причинам в ближайшие годы (или никогда) не выйдут за рамки теории и экспериментов.

Токамак — это сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками», каковая камера — главный элемент реактора, который служит для удержания плазмы. Намотанные вокруг камеры реактора магнитные катушки в данном случае применяются для того, чтобы создать специальное поле, удерживающее плазму от соприкосновения с её стенками, чего современные теплоизолирующие материалы просто не выдержали бы. В то же время через саму плазму также пропускается ток, который служит и для её нагрева, и для создания полоидального магнитного поля. В современных условиях это поле не может существовать дольше нескольких секунд, а без него плазма теряет свою стабильность, поэтому говорить о применении токамаков для постоянного производства электроэнергии ещё рано, хотя поддерживать ток более длительное время можно при помощи микроволнового излучения или введения в плазму нейтральных атомов дейтерия/трития.

Токамак KSTAR, Южная Корея, фото: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons

Идеи токамаков впервые описали в Советском Союзе ещё в 50-х годах прошлого века, а первый такой реактор был построен в Курчатовском институте в 1954 году. Долгое время токамаки оставались чисто советской разработкой, но в 1970-х британские учёные подтвердили рекордные результаты разогрева плазмы, достигнутые на советском токамаке Т-3, и технологией заинтересовались по всему миру.

На сегодняшний день токамаки считаются наиболее перспективной разработкой, и в мире их количество превышает количество установок других типов. Среди достижений в этой сфере стоит отметить китайский EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, построен при поддержке РФ), который достиг в 2018 году температуры плазмы в 100 млн градусов, европейский JET (Joint European Toru), который находится в Великобритании и считается крупнейшим токамаком в мире, а также уже упомянутый выше ITER, на котором остановимся более подробно.

Схема токамака ITER. Источник: Oak Ridge National Laboratory — ITER Tokamak and Plant Systems (2016) / Wikimedia Commons

Идея постройки ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, международный термоядерный экспериментальный реактор) обсуждалась ещё в 1985 году, на встрече Рональда Рейгана и Михаила Горбачева, но реальное строительство началось только в 2010 году. В работе над реактором принимают участие множество стран, включая Японию, государства ЕС, Россию, США, Южную Корею, Китай и Индию. Итогом совместного проекта станет гигантское сооружение весом в 23 000 тонн, которое сместит JET с пьедестала самого крупного токамака на планете и теоретически будет способно довести показатель Q до 30, хотя создатели ITER не ставят перед собой цель добиться выработки электроэнергии — задача токамака окончательно доказать саму возможность использования термоядерного синтеза в этой сфере и проложить «путь» (именно так переводится с латыни сокращённое название реактора) для DEMO, первого токамака с «положительным» балансом, который запустится не раньше середины XXI века.

На долю Японии в проекте ITER выпали разработка и производство одного из важнейших элементов — сверхпроводящих катушек, необходимых для формирования магнитного поля вокруг камеры реактора. В частности, компания Toshiba занимается разработкой конструкции гигантских 16,5-метровых катушек для тороидального поля, которые весят около 300 тонн. При этом необходимо соблюдать крайне строгие допуски на размеры каждой детали — всего в несколько миллиметров — поэтому большим подспорьем становятся технологии и методы, изобретённые во время работы над японскими экспериментальными токамаками, JT-60 и JT-60SA.

Стеллараторы (от лат. stella — «звезда») получили своё название из-за схожести процессов в реакторе с теми, что происходят внутри звёзд. Первый образец был построен в 1951 году в США под руководством его изобретателя, Лаймана Спитцера. Основное отличие стеллараторов от токамаков заключается в конструкции магнитной ловушки: в стеллараторах для удержания плазмы в камере применяется только внешние катушки, которые создают силовые линии, вращающиеся вокруг камеры. Такая конструкция теоретически позволяет использовать магнитную ловушку в непрерывном режиме. В стеллараторах, как и в токамаках практически всегда применяется смесь дейтерия и трития, которая вводится в вакуумный сосуд камеры. В современных вариантах конструкции отказались от камеры в форме обычного тора в пользу сложных моделей, созданных с применением компьютерного моделирования. Их цель — добиться максимальной эффективности удержания плазмы.

Стелларатор Wendelstein 7-X. Источник: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons

Несмотря на возможность непрерывного воздействия на плазму и изменённую конструкцию камеры стеллараторы не получили такого широкого распространения, как токамаки. В первую очередь это связано с большей сложностью конструкции и меньшей их эффективностью в современных условиях. Wendelstein 7-X, построенный в г. Грайфсвальд в Германии в 2015 году стал крупнейшим стелларатором в мире и своеобразной «эпитафией» этой разработке. По расчётам учёных он должен был довести время непрерывного воздействия электромагнитов на плазму до 30 минут, чтобы продемонстрировать возможность использования стеллараторов для долгосрочной генерации электроэнергии. При этом в 2018 году в ходе эксперимента температуру плазмы удалось поднять только до 40 000 градусов Цельсия, а время работы — довести до 100 секунд. Следующие испытания запланированы на 2021 год.

Импульсные системы — этот тип установок для управляемого термоядерного синтеза остаётся по большей части теоретической разработкой. Ещё академик Андрей Сахаров в 1960 году доказал, что термоядерный синтез возможен без использования магнитных ловушек, предложив противоположный классическому подход. В данном случае речь идёт не о сверхразреженной плазме, которую электромагнитные поля удерживают на месте долгое время, а о сверхплотном (и крайне недолговечном) её варианте. Миниатюрные «мишени» с замороженным D-T составом в импульсных системах предлагается взрывать при помощи мощных лазеров или пучков излучения, чтобы добиться своеобразного аналога взрывов топлива в бензиновых двигателях, только на уровне термоядерных реакций. Такая система с периодическими взрывами может обеспечить почти непрерывную цепочку из термоядерных реакций, вырабатывающих энергию, при этом (в теории) не повреждая оболочку реактора.

Лазерный ангар NIF/ Источник: Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons

Из существующих разработок в этой сфере стоит упомянуть проект MagLIF и установки NIF (National Ignition Facility, или Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций) Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии. Несмотря на сохраняющийся потенциал этой идеи в 2012 году правительство США планировало прекратить финансирование программы из-за мизерных практических результатов. По состоянию на сегодняшний день эксперименты продолжаются, но сложность самих «мишеней» и необходимость регулярной доставки их в камеру, в которой затем происходит взрыв, эквивалентный тонне тротила, оставляют этот тип установок далеко позади токамаков и стеллараторов по уровню практичности.

Зеркальные ловушки — первый эксперимент с использованием «открытых» магнитных ловушек был проведен ещё в 1955 году во всё той же Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Идея ловушек заключалась в том, чтобы использовать не закрытый тор, а магнитный сосуд вытянутой формы, открытый с двух противоположных концов. «Новая» плазма в этом случае должна была разогреваться до нужной температуры, отдавать энергию и выходить через боковые отверстия (либо отбиваться магнитным полем обратно, как от зеркал — отсюда и название). Благодаря такой форме и механизму их стоимость оказалась намного ниже, чем у конкурирующих разработок, так что какое-то время зеркальные ловушки казались крайне перспективной разработкой. Но со временем экспериментаторы столкнулись с нестабильностью плазмы, плохо изученной на момент начала разработок, что привело к проблемам и невозможности достичь необходимых для термоядерного синтеза температур. В дальнейшем в конструкцию неоднократно вносились изменения, но амбициозная американская установка MFTF, например, была закрыта ещё до начала пробных запусков, так как токамаки в итоге оказались проще, мощнее и дешевле.

Из интересных разработок этого типа стоит отметить российский ГДЛ (газодинамическая ловушка) из Новосибирска, который создаётся на базе советского проекта 50-х годов, «открытой» ловушки «пробкотрон Будкера». По состоянию на 2018 год учёным Новосибирского Института ядерной физики СО РАН удалось достичь температуры в 10 млн градусов, а в 2020 году они получили грант от Минобрнауки РФ на закупку нового оборудования для продолжения экспериментов.

Красивое завтра: вместо выводов

Среди учёных, занимающихся проблемами термоядерного синтеза, ходит шутливое высказывание, что до успеха исследований и начала коммерческого применения реакторов «осталось всего-то лет 30», причём отвечают они так уже далеко не первый десяток лет (стабильность!). Тем не менее, технологии продолжат развиваться, а человечество — искать способы «приручить» термоядерный синтез и создать миниатюрное искусственное Солнце, которое обеспечит наши потребности в электроэнергии без риска повторить Чернобыльскую катастрофу и без постоянного вреда для экологии планеты. Прямое влияние на эти исследования могут оказать такие разработки, как ITER, и мы рады, что Япония и корпорация Toshiba принимают в них непосредственное участие. А что будет дальше… посмотрим через 30 лет.

Термоядерный синтез в 30-е годы может стать практической реальностью / / Независимая газета

В проектах воссоздания в земных условиях процессов, протекающих на Солнце, участвуют десятки компаний

Тэги: энергетика, термоядерный синтез, термоядерный рпоект, итэр, атомная энергия, мифи

Так выглядит ИТЭР в разрезе. Фото Reutres

Глобальное потепление и повестка дня, связанная с борьбой с ним, доминируют в мире. При этом однако в тени интересов общества остается вопрос термоядерного синтеза, который в принципе решает все энергетические и климатические проблемы человечества. Атомная энергия – сначала это было расщепление ядра, а теперь слияние ядер – до сих пор остается главным шансом человечества на резкое сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу до нуля к 2050 году, о чем сказал Фредерик Бордри, руководивший разработкой и строительством другой безумно сложной установки для проведения научных экспериментов – Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, пишет британская Independnt.

«Когда мы говорим о стоимости ИТЭР, это мелочь по сравнению с его воздействием на процесс изменения климата, – добавил он. – Нам придется найти необходимые средства».

В ходе термоядерного синтеза энергия образуется, когда атомы водорода сливаются вместе, образуя более тяжелые элементы, такие как гелий. Технология считается самым чистым безуглеродным источником энергии, который может обеспечить весь мир дешевым теплом и электричеством и остановить негативные климатические изменения на Земле. Но технология требует работы с плазмой при температуре 200 млн градусов. Основная проблема заключалась в том, чтобы заставить плазму генерировать больше энергии, чем требуется для ее запуска.

Поэтому состоявшаяся в конце прошлого года пресс-конференция российских участников международного термоядерного проекта ИТЭР привлекала внимание прессы.

Реализация идеи

Прежде всего, наверное, стоит отметить, что данный проект предусматривает строительство реактора в ядерном центре Кадараш на юге Франции близ Марселя.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – проект международного экспериментального термоядерного реактора, который строится во Франции с 2007 года как прототип установок, в которых энергия будет вырабатываться в высокотемпературной плазме при синтезе изотопов водорода (то есть как следствие термоядерной реакции). Большая сложность и объемность проекта делают невозможной его реализацию отдельной страной, поэтому ИТЭР строится совместными усилиями стран ЕС, Китая, Индии, России, США, Южной Кореи и Японии. Цель проекта ИТЭР – создание реактора и разработка методов и условий формирования практически стационарного плазменного разряда, параметры которого будут способствовать интенсивной термоядерной реакции.

Одним из важнейших условий достижения цели проекта ИТЭР является разработка, производство и успешная эксплуатация ряда диагностических систем, часто основанных на новых методах, которые должны анализировать параметры плазмы, процессы, происходящие в ней, результаты плазменной обработки, взаимодействие со стенкой плазменной камеры и др. Во всех странах – участницах проекта разрабатываются различные системы диагностики. В России этим занимаются крупные научные центры «Курчатовский институт», ТРИНИТИ, НИИЭФА, НИКИЭТ и другие.

Этот проект является крупнейшим международным научно-исследовательским проектом в сфере ядерной физики. Он был начат в 80-х годах прошлого века с целью достижения фундаментального прорыва в сфере термоядерных и плазменных технологий и создания рабочего прототипа термоядерного реактора. С этой целью в те годы было подписано международное соглашение, в котором участвуют сегодня Россия, США, ЕС, Япония, КНР, Индия и Южная Корея. В основу реактора положена разработанная еще советскими учеными установка токамак, которая считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Идея использования управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей в СССР была разработана советским физиком Олегом Лаврентьевым в середине 50-х годов. Работы по этому направлению велись советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом. Тут надо отметить, что имеется и другой тип реактора для подобных целей, который называется стеллатор и был изобретен американским физиком Лайманом Спитцером еще в 1950 году.

Для понимания проблемы отметим, что на Солнце осуществляется такой же синтез, но неуправляемый. Там идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий и каждую секунду около 4 млн т вещества превращаются в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение.

Первая плазма в реакторе ИТЭР должна быть получена в 2025 году. Токамак представляет собой тороидальную камеру с магнитными катушками для магнитного удержания плазмы, что позволит создать условия для протекания управляемого термоядерного синтеза. Идея состоит в том, чтобы получать неограниченное количество энергии при минимальных первоначальных энергозатратах. Другими словами, ТЭР, согласно расчетам ученых, сможет генерировать около 500 МВт мощности при затрачиваемых 50 МВт. Главное отличие термоядерного синтеза от современной ядерной энергетики состоит в том, что в ней осуществляется реакция распада, а не синтеза.

Как отмечает Independent, в отличие от существующих реакторов, работающих за счет деления ядер, которые дают радиоактивные отходы и порой становятся причиной катастрофических аварий, ядерный синтез, как утверждают его апологеты, может стать чистым и в буквальном смысле неиссякаемым источником энергии. Разумеется, если ученым и инженерам удастся освоить технологии ядерного синтеза – они бьются над решением этой задачи уже почти 100 лет.

В противовес расщеплению атомов ядерный синтез фактически повторяет процесс, который естественным образом происходит внутри звезд: два атома водорода сливаются друг с другом, в результате чего возникает атом гелия – и выделяется огромное количество энергии.

Чтобы такое слияние двух атомов произошло, требуется невообразимое количество тепла и чрезвычайно высокое давление. Один из способов этого достичь – превратить водород в ионизированный газ, то есть в плазму, которую помещают в специальную вакуумную камеру в форме пончика.

Это можно сделать с помощью мощных сверхпроводящих магнитов, таких как «центральный соленоид», который американская компания General Atomics начала переправлять из Сан-Диего во Францию летом этого года.

Ученые утверждают, что ИТЭР уже готов на 75%. Они намерены запустить реактор уже к началу 2026 года. Их конечная цель – произвести больше энергии, чем требуется для того, чтобы разогреть плазму, и доказать, что технология ядерного синтеза действительно жизнеспособна.

О термоядерных реакторах в последние годы говорят все больше. Все больше стран уже занимаются этим направлением либо строят свои установки. И большинство частных компаний ожидают, что первые соответствующие реакторы появятся в 2030-х годах. Но пока все термоядерные реакторы в мире потребляют больше энергии, чем выделяют.

Не так давно Ассоциацией термоядерной промышленности (Fusion Industry Association; FIA) и Управлением по атомной энергии Великобритании (UK Atomic Energy Authority; UKAEA) был опубликован прогноз о состоянии термоядерной энергетики в мире. В нем говорится, что во всем мире существует не менее 35 частных компаний, занимающихся термоядерным синтезом, большинство из которых сосредоточено в США и Европе. 12 компаний заявили, что они находятся на ранней стадии разработки или работают «в скрытом режиме» и поэтому не участвовали в отчете. Что касается остальных 23 компаний, 12 отметили, что они начали свою деятельность только в последние пять лет. 18 компаний из списка раскрыли данные о своем финансировании, и суммарно речь идет примерно о 1,8 млрд долл.

Согласно отчету, магнитное удержание, при котором магнитные поля используются для удержания высокотемпературной плазмы, является наиболее популярной технологией при постройке термоядерных реакторов. Хотя производство электроэнергии является основной целью для частных компаний, занимающихся термоядерным синтезом, почти половина компаний считают, что эта технология также может найти применение для космических двигателей, судовых двигателей и прочих промышленных задач.

Надо понимать, что ИТЭР представляет собой только один из проектов и наиболее продвинутые в научном плане страны работают в этом направлении и самостоятельно. В прессу просочились некоторые сведения о достигнутых в других странах уровнях.

Так, токамак EAST в Китае проработал 17 минут при температуре 70 млн градусов по Цельсию. Это является самым продолжительным временем работы подобного аппарата в мире. Термоядерный реактор в Китае установил рекорд устойчиво высоких температур, достигнув 70 млн градусов по Цельсию. Об этом пишет Independent. Как отмечает издание, конечная цель проекта состоит в выработке почти безграничной чистой энергии, имитирующей естественные реакции, происходящие внутри звезд. При этом для данного процесса не требуется ископаемое топливо и он не оставляет опасных отходов. Проект уже обошелся китайским властям более чем в 700 млрд фунтов стерлингов.В июне 2021 года китайские ученые побили рекорд, достигнув температуры плазмы 120 млн градусов Цельсия в течение 101 секунды и 160 млн градусов Цельсия в течение 20 секунд.Эксперимент EAST является частью проекта по созданию Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), в котором участвуют Китай, Индия, ЕС, Россия, США и другие страны.А американская компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) начала строительство кампуса термоядерной энергии. Уникальный реактор SPARC будет размещен в местечке Девенс на северо-востоке штата Массачусетс, на бывшей базе Армии США, в 50 км к западу от Бостона. Там же построят корпоративные офисы компании и завод для промышленного производства аналогичных устройств.

«Впервые в истории мы на практике докажем, что термоядерный синтез может работать как чистый и безграничный источник энергии», – отметил генеральный директор CFS Боб Мумгаард.

Группа же ученых из Массачусетского технологического института (МТИ) вместе с одной частной компанией, сообщает Independent, объявили, что они тоже достигли важной стадии в разработке технологии ядерного синтеза: они успешно провели испытания самого сильного высокотемпературного сверхпроводящего магнита, который, возможно, позволит им обогнать команду ИТЭР в гонке за создание «солнца на Земле». Скорее всего в данном случае как раз идет речь о CFS. Команда МТИ утверждает, что ей удалось создать магнитное поле, которое в два раза сильнее поля ИТЭР, с помощью электромагнита, который в 40 раз меньше. Они сообщили, что, возможно, сумеют создать установку, готовую к широкому использованию, уже к началу 2030-х годов.

«Все это задумывалось как коммерческий проект, – сказала выдающаяся физик и вице-президент МТИ Мария Зубер. – Мы не рассчитывали на то, что это будет всего лишь научный эксперимент».

Предварительные итоги

Об итогах 29-го заседания совета ИТЭР, совместной работе стран-участниц над проектом, ключевых достижениях отечественных предприятий в его реализации и основных планах российской стороны на будущий год рассказали специальный представитель госкорпорации «Росатом» по международным и научно-техническим проектам Вячеслав Першуков, директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Красильников и директор Института прикладной физики РАН Григорий Денисов.

В ходе пресс-конференции обсуждались итоги 29-го заседания совета ИТЭР, текущие результаты совместной работы стран-участниц над проектом, ключевые достижения отечественных предприятий в его реализации и основные планы российской стороны на будущий год. Вячеслав Першуков положительно охарактеризовал итоги прошедшего в ноябре заседания совета ИТЭР. Отвечая на вопросы журналистов, Вячеслав Першуков подчеркнул существенный прогресс в реализации проекта ИТЭР, а также сплоченность всех вовлеченных в его реализацию стран, равно как организаций и учреждений внутри России. По мнению Вячеслава Першукова, «прогресс на самом деле значительный. Сама площадка сооружения ИТЭР дает представление, что на ней сосредоточено большое количество и строительных, и технологических ресурсов, и все эти компании дружно работают над выдающимся проектом».

Директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Красильников отметил ряд важнейших достижений кооперации российских участников проекта и поблагодарил их за масштабные результаты, полученные в 2021 году вопреки всем сложностям, связанным с пандемией. В своем обращении Анатолий Красильников сделал акцент на необходимости увеличить долю российских специалистов в Международной организации ИТЭР. «В этом смысле нам есть куда расти, эту цель мы видим», – сказал глава российского Агентства ИТЭР. – Мы связываем свои надежды с тем, что в России стартовала внутренняя программа по управляемому термоядерному синтезу, и это приведет к тому, что будет готовиться больше молодежи, будет расти ее квалификация».

Григорий Денисов напомнил, что одной из главных систем, за которые несет ответственность Россия в рамках проекта, являются восемь из 24 гиротронных комплексов. Их разработкой занимается Институт прикладной физики РАН, шесть из восьми комплексов уже изготовлены. Директор нижегородского института обратил особое внимание на то, что «работа по проекту ИТЭР привлекла молодых специалистов в Институт (прикладной физики РАН. – «НГ-энергия»). С точки зрения возраста ситуация в институте изменяется».

Вклад ученых МИФИ

В связи с пресс-конференцией заслуживает внимания анализ, опубликованный на сайте МИФИ, который существенно дополняет результаты пресс-конференции.

Работа ученых НИЯУ МИФИ над этой важнейшей для ИТЭР проблемой началась в 2013–2014 годах. Когда научная группа профессора Леона Беграмбекова (кафедра физики плазмы) предложила, а затем продемонстрировала электростатический метод удаления микроскопической металлической пыли из ИТЭР, создаваемой действием плазмы на стенки плазменной камеры и крайне негативно влияющей на параметры плазмы и безопасность установки. Развитие работы НИЯУ МИФИ по тематике ИТЭР активизировалось после подписания в 2016 году Меморандума об академическом и научном сотрудничестве между НИЯУ МИФИ и организацией ИТЭР. Научная группа, возглавлявшаяся тогда заведующим кафедрой физики плазмы профессором Валерием Курнаевым, разработала оригинальную методику поиска участков вакуумной камеры, где нарушена герметичность и откуда воздух попадает в вакуумную камеру.

Научная группа профессора Беграмбекова в течение 2017–2019 годов успешно выполнила три контракта на НИОКР с ИТЭР по комплексу задач диагностики плазмы. Также разработано и внедрено защитное покрытие для корпусов диагностических магнитных зондов; проведено экспериментальное исследование, определены причины и закономерности разрушающего воздействия плазмы на зеркала систем лазерной диагностики плазмы; решена комплексная задача ввода/вывода эндоскопа с электростатическим зондом из токамака.

В 2018 году Алексей Айрапетов, сотрудник НИЯУ МИФИ, провел шесть месяцев на площадке ИТЭР, работая над концепцией диагностической системы для сбора и анализа пыли токамаков.

Работа НИЯУ МИФИ по разработке метода и устройства для улавливания металлической пыли из ИТЭР продолжается в рамках трехлетнего контракта на создание электростатического зонда для ИТЭР, автоматизированной системы его ввода в токамак и удаление пыли из токамака. НИЯУ МИФИ выиграл тендер ИТЭР на этот контракт в 2019 году.

Благодаря высокому уровню научно-технической работы, выполняемой научным коллективом НИЯУ МИФИ, университет был приглашен штаб-квартирой ИТЭР для участия в тендере на разработку, изготовление, испытания и поставку в ИТЭР всего комплекса оборудования, входящего в состав Диагностической системы для сбора, извлечения и анализа металлической пыли, образующейся при работе ИТЭР. Приглашение НИЯУ МИФИ к участию в таком конкурсе вместе с ведущими мировыми научными организациями, несомненно, является признанием высокого потенциала ученых и специалистов университета.

В заключение важно отметить, что все страны, участвующие в проекте ИТЭР, – в том числе Соединенные Штаты, Россия, Китай, Япония, Индия, Южная Корея и множество европейских стран, – делят между собой расходы на его реализацию и все они могут пользоваться полученными научными данными и интеллектуальной собственностью. 

Науки о термоядерной энергетике | Департамент энергетики

Программа Fusion Energy Sciences (FES) преследует две цели: (1) расширить понимание материи при очень высоких температурах и плотностях и (2) накопить знания, необходимые для разработки термоядерного источника энергии. Получение энергии от термоядерного синтеза является одной из 14 главных задач инженерии в 21 веке, и FES является крупнейшим федеральным правительством, поддерживающим исследования, направленные на устранение остающихся препятствий на пути преодоления этой проблемы.

Плазма — это очень горячие газы, настолько горячие, что электроны освобождаются от атомных ядер, образуя совокупность ионов и электронов, которыми можно управлять с помощью электрических и магнитных полей. Известная Вселенная состоит более чем на 99% из плазмы, из которой формируются такие звезды, как Солнце. Ученые изучают плазму в космосе, например взрывы звезд, чтобы лучше понять физику плазмы. Ученые также изучают плазму, которая возникает на Земле, как молния. Есть также плазмы, которые производятся и видны повсюду, например, лампочки и неоновая вывеска магазина. Есть плазмы, которые имеют практическое применение, например, передовые медицинские и санитарные процедуры. Однако существуют проблемы с созданием и поддержанием плазмы на Земле.

Солнце излучает свет и энергию, которые каждый может увидеть и почувствовать. Он делает это с помощью процесса, называемого слиянием. Слияние происходит в плазме, где два ядра объединяются, образуя новый атом. Это происходит много раз на солнце, производя огромное количество энергии. Теперь ученые хотят воссоздать этот процесс здесь, на Земле, и собрать энергию для производства электричества. Перспективы и потенциальные выгоды для человечества от этого безуглеродного источника энергии огромны. Достижение этой цели имело бы далеко идущие и значительные последствия для человеческой цивилизации и ее воздействия на планету.

Совместно с научными агентствами-партнерами FES поддерживает преданный своему делу персонал, который добился впечатляющих успехов со времени первых термоядерных экспериментов более шестидесяти лет назад. Каждый день ученые и инженеры из национальных лабораторий Министерства энергетики США, университетов и частных предприятий добиваются прогресса. При государственной финансовой поддержке этого фундаментального исследования ученые в области термоядерного синтеза проводят фундаментальные испытания жизнеспособности термоядерной энергии, используя некоторые из самых амбициозных энергетических проектов, самые мощные суперкомпьютеры и самые быстрые сети в мире сегодня.

Узнайте больше о программе Fusion Energy Sciences здесь.

URL видео

В мае 2018 года Национальный термоядерный центр DIII-D в Сан-Диего начал 11-месячную инженерную модернизацию для проведения экспериментов нового поколения.

Видео предоставлено Министерством энергетики

Объявления о программе FES

Министерство энергетики объявляет о выделении 47 миллионов долларов на исследования токамаков и сферических токамаков

Инновационные исследования закроют пробелы в научно-технической базе экспериментальной установки по производству термоядерной энергии

Эта новая программа государственно-частного партнерства является первым шагом к реализации смелого десятилетнего видения администрации в области коммерческой термоядерной энергии

Министерство энергетики объявляет о выделении 8,3 млн долларов на исследования плазмы высокой плотности

Управление науки (SC) Министерства энергетики и Национальное управление ядерной безопасности Министерства энергетики (NNSA) объявили о выделении 8,3 млн долларов на 20 исследовательских проектов в области плазмы в лаборатории высокой плотности энергии (HEDLP).

Министерство энергетики объявляет о выделении 3,2 миллиона долларов на исследования в области плазмы

Исследования будут проводиться на нескольких плазменных заводах по всей стране

Научные достижения FES

ПОСМОТРЕТЬ ВСЕ

Прогнозирование всплесков энергии взрыва в компактных термоядерных электростанциях

Новое открытие позволяет ученым лучше стабилизировать плазму в будущих компактных термоядерных реакторах.

3 ноября 2022 г.

Учить больше

Ученые зафиксировали «квантовый буксир» между соседними молекулами воды

Сверхбыстрые электроны проливают свет на паутину водородных связей, которая придает воде ее странные свойства, необходимые для многих химических и биологических процессов.

6 июля 2022 г.

Учить больше

Для плазмы с горячей сердцевиной и холодными краями Super H-Mode показывает перспективы

Использование физики отслаивания в современных токамаках повышает производительность термоядерного синтеза и интегрируется с решениями по выхлопу для будущих термоядерных реакторов.

16 мая 2022 г.

Учить больше

Исследователи вытягивают шеи, чтобы понять, как заправляется термоядерная плазма

Новый измерительный прибор Лайман-альфа (LLAMA) измеряет нейтральные частицы в термоядерном устройстве и топливо, которое они обеспечивают.

13 мая 2022 г.

Учить больше

Источник северного сияния: электроны, движущиеся на альфвеновских волнах

Лабораторные измерения позволяют по-новому взглянуть на физику ускорения электронов полярного сияния альфвеновскими волнами.

29 апреля 2022 г.

Учить больше

Укрощение края плазмы: снижение нестабильности в токамаках

Рабочий режим, называемый Н-режимом покоя с широким пьедесталом, позволяет токамаку работать без вредных нестабильностей края.

30 марта 2022 г.

Учить больше

Выдувание пыли для охлаждения термоядерной плазмы

Новый подход помогает защитить стенки токамака, сохраняя при этом условия термоядерного синтеза в активной зоне.

7 марта 2022 г.

Учить больше

Избегание цепочек магнитных островов может привести к термоядерному раю

Первое наблюдение встроенных магнитных островов прокладывает путь к усовершенствованным конструкциям термоядерных реакторов.

11 января 2022 г.

Учить больше

Освещение магнитной турбулентности в термоядерной плазме

Электромагнитные волны используются для внутренней идентификации турбулентных магнитных флуктуаций в термоядерной плазме с температурой 100 миллионов градусов.

20 декабря 2021 г.

Учить больше

Высокоэнергетические рентгеновские лучи открывают новый взгляд на деградацию потенциального материала для термоядерных реакторов

Современные рентгеновские методы обнаружили скрытые повреждения в нейтронно-облученном карбиде кремния, возможном конструкционном материале для будущих термоядерных реакторов.

17 ноября 2021 г.

Учить больше

Новости программы ФЭС

Рулевое управление Fusion «D-поворот»

Ученый-исследователь Алессандро Маринони показывает, что реверсирование традиционного формирования плазмы обеспечивает большую стабильность термоядерных реакций.

Учить больше

Недавний прорыв в DIII-D делает важный шаг к экономичной энергии термоядерного синтеза

Эксперименты в «режиме Super H» демонстрируют рекордную производительность термоядерного синтеза.

Учить больше

В поисках чистой, безграничной энергии путем ядерного синтеза ученые используют искусственный интеллект с «глубоким обучением» для прогнозирования разрушительных разрушений и его коллеги создали «d

Учить больше

Подпрограммы ФЭС

Горящая плазма Наука: основы
Узнать больше

Горящая плазма Наука: длинный импульс и высокая мощность
Узнать больше

Общая наука о плазме
Узнать больше

Лабораторная плазма высокой плотности энергии
Узнать больше

Исследовательские ресурсы FES

Внутренний сайт FES

Организационная структура FES

Связаться с ФЭС

Возможности финансирования

Отчеты мастерских

Консультативный комитет по термоядерной энергетике (FESAC)

Контактная информация

СВИДЕНИЯ Энергетические науки
Министерство энергетики США
SC -24/Германтаун здание
1000 Авеню Независимость. , SW
, Вашингтон, DC 20585
P: (301) 903 -49441, DC 20585
P: (301) 903 -49441. 301) 903 — 8584
Электронная почта: Напишите нам

Крупный прорыв

делает мечту о безграничной чистой энергии ядерного синтеза доступной

ТЕМЫ: EnergyFusion EnergyFusion ReactorPopular

Гарет Уиллмер, Horizon
29 июня 2022 г.

Установка ядерного синтеза: интерьер JET с наложенной плазмой. Энергия ядерного синтеза может стать ключевым устойчивым источником энергии в дополнение к возобновляемым источникам энергии. Предоставлено: UKAEA

Старая шутка гласит, что до ядерного синтеза всегда 30 лет. Однако мечта об изобилии чистой энергии не повод для смеха, поскольку мы встречаемся с исследователем ИТЭР, чтобы узнать о прогрессе на реакторной установке.

Создавая свет и тепло посредством ядерного синтеза, Солнце питало жизнь на Земле в течение миллиардов лет. Учитывая эту невероятную мощность и долговечность, вряд ли может быть лучший способ генерировать энергию, чем использование тех же ядерных процессов, которые происходят в звездах, включая наше собственное Солнце.

Реакторы ядерного синтеза призваны воспроизвести этот процесс путем слияния атомов водорода с образованием гелия, который высвобождает энергию в виде тепла. Поддержание этого в больших масштабах может обеспечить безопасный, чистый, почти неисчерпаемый источник энергии.

Поиски начались несколько десятилетий назад, но может ли давняя шутка о том, что до ядерного синтеза осталось 30 лет, вскоре начать выглядеть устаревшей?

Некоторые на это надеются, после крупного прорыва во время эксперимента по термоядерному синтезу в конце 2021 года. Это произошло в исследовательском центре Joint European Torus (JET) в Оксфордшире, Великобритания, в гигантской машине в форме пончика, называемой токамак.

Внутри образуются перегретые газы, называемые плазмой, в которых происходят реакции синтеза, содержащие заряженные частицы, которые удерживаются на месте мощными магнитными полями. Такая плазма может достигать температуры 150 миллионов градусов по Цельсию 9.0003

Шкала Цельсия, также известная как стоградусная шкала, представляет собой температурную шкалу, названную в честь шведского астронома Андерса Цельсия. По шкале Цельсия 0 °С соответствует температуре замерзания воды, а 100 °С — температуре кипения воды при давлении 1 атм.

» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>Цельсия, непостижимо, в 10 раз горячее, чем ядро ​​Солнца.

В устойчивом пятисекундный всплеск, исследователи из консорциума EUROfusion выпустили рекордные 59мегаджоулей (МДж) энергии синтеза. Это почти втрое превышает предыдущий рекорд в 21,7 МДж, установленный на том же объекте в 1997 году, а результаты рекламируются как «самая яркая демонстрация за четверть века потенциала термоядерной энергии для обеспечения безопасной и устойчивой низкоуглеродной энергии». Перейдите по ссылке, чтобы узнать больше об успешном эксперименте по ядерному синтезу в JET.

Вид на плазму экспериментального термоядерного реактора JET. Предоставлено: © Консорциум EUROfusion (2022)

Результаты обеспечили значительный импульс в преддверии следующего этапа развития ядерного синтеза. Более крупная и продвинутая версия JET, известная как ITER (что на латыни означает «Путь»), строится на участке площадью 180 гектаров в Сен-Поль-ле-Дюранс на юге Франции.

ИТЭР, который строится в результате сотрудничества 35 стран, включая страны ЕС, направлен на дальнейшее укрепление концепции термоядерного синтеза. Одна из самых сложных машин, когда-либо созданных, должна была начать генерировать свою первую плазму.

Плазма — одно из четырех основных состояний материи, наряду с твердым, жидким и газообразным. Это ионизированный газ, состоящий из положительных ионов и свободных электронов. Впервые он был описан химиком Ирвингом Ленгмюром в 19 веке.20 с.

«data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>плазма в 2025 г. до ввода в эксплуатацию большой мощности примерно в 2035 г. — хотя исследователи в проекте ожидаются некоторые задержки из-за пандемии. Европе: «Это огромная веха — самая большая за долгое время», — сказал он.0003

«Подтверждено все моделирование, так что это действительно повысило уверенность в том, что ИТЭР будет работать и делать то, для чего он предназначен». В то время как энергия, генерируемая JET, длилась всего несколько секунд, цель состоит в том, чтобы довести ее до устойчивой реакции, производящей энергию.

Результаты стали кульминацией многолетней подготовки. Профессор Донне объяснил, что одним из ключевых достижений с 1997 года стало изменение внутренней стенки сосуда JET.

«Это огромная веха в ядерном синтезе — крупнейшая за долгое время. Это подтвердило все моделирование».

— Профессор Тони Донне, EUROfusion

Раньше стена была сделана из углерода, но она оказалась слишком реактивной с топливной смесью дейтерия и трития, двух более тяжелых изотопов или вариантов водорода, используемых в реакции синтеза. . Это привело к образованию углеводородов, запирающих тритиевое топливо в стенке.

При реконструкции, включавшей 16 000 компонентов и 4 000 тонн металла, углерод был заменен бериллием и вольфрамом для уменьшения удержания трития. В конце концов, команде удалось многократно сократить количество захваченного топлива, что способствовало успеху недавнего термоядерного выстрела.

DEMO run

В рамках подготовки к следующему этапу эпического путешествия термоядерного синтеза обновление JET обеспечило соответствие его конфигурации планам ITER. В будущем следующим шагом после ИТЭР станет демонстрационная электростанция, известная как DEMO, предназначенная для подачи электроэнергии в сеть, что приведет к тому, что термоядерные установки станут коммерческой и промышленной реальностью.

«ИТЭР — это устройство, которое будет производить в 10 раз больше энергии синтеза, чем энергия, используемая для нагрева плазмы», — сказал профессор Донне. «Но поскольку это экспериментальный объект, он не будет поставлять электроэнергию в сеть. Для этого нам понадобится другое устройство, которое мы называем DEMO. Это действительно подведет нас к основам первого поколения термоядерных электростанций».

Профессор Донне добавил: «Теперь JET показал, что синтез возможен. ИТЭР должен показать, что он осуществим, а DEMO должен продемонстрировать, что он действительно работает».

Запланировано обеспечить до 500 мегаватт (МВт) в сеть, он считает реалистичным ввод в эксплуатацию DEMO около 2050 года. «Мы надеемся построить DEMO намного быстрее, чем мы построили ИТЭР, используя (используя) уроки. научился, — сказал он.

Однако есть и другие ключевые проблемы, которые необходимо преодолеть на пути к созданию и запуску ядерного синтеза. Не в последнюю очередь это то, что в то время как дейтерия много в морской воде, трития крайне мало и его трудно производить.

«Если мы запустим термоядерный синтез, то действительно у нас будет очень безопасный и чистый источник энергии, который может давать нам энергию на тысячи лет».

— Профессор Тони Донне, EUROfusion

Поэтому исследователи планируют разработать способ его генерации внутри токамака, используя «подстилку», содержащую литий. Идея состоит в том, что нейтроны высокой энергии от реакций синтеза будут взаимодействовать с литием с образованием трития.

Основная энергия

Профессор Донне сказал, что термоядерный синтез может оказаться основным экологичным и устойчивым источником энергии в будущем. «Я бы сказал, что это необходимо», — сказал он. «Я не уверен, что к 2050 году мы сможем перейти на углекислый газ, используя только возобновляемые источники энергии, и нам нужны другие вещи».

И хотя он говорит, что нынешний метод получения ядерной энергии путем деления становится все безопаснее и безопаснее, у синтеза есть ключевые преимущества. Сторонники ИТЭР говорят о таких преимуществах, как отсутствие риска расплавления, добавляя, что ядерный синтез не производит долгоживущих радиоактивных отходов и что материалы реактора можно перерабатывать или повторно использовать в течение 100–300 лет.

«Это определенно намного безопаснее», — сказал профессор Донне. Ссылаясь на клеймо, которое несет ядерная энергия, он сказал: «Когда мы общаемся с общественностью, мы видим, что люди очень часто не слышали о ядерном синтезе.