Содержание
Информационный центр по атомной энергии
Найди свой город
Как вы считаете, в чём заключалась уникальная особенность духов «Шанель №5», на которой настаивала Коко Шанель?
Это искусственный аромат,
созданный химиком
Какое явление возникает при взаимодействии солнечного ветра
с верхними слоями атмосферы?
Полярное сияние
В каких частях мозга вырабатываются нейромедиаторы дофамин и серотонин, обеспечивающие нам позитивные эмоции?
В голубом пятне и чёрной субстанции
Какие животные смогли пройти «зефирный тест»: отказаться от угощения ради получения чего-то более вкусного позже?
Многие приматы, собаки, вороны и каракатицы
Действительно ли с помощью радиационных технологий можно изменить цвет драгоценных камней?
Да, в НИИАРе так производят голубые топазы
Сколько топлива в сутки потребляют атомные ледоколы?
От 4,5 до нескольких десятков грамм
У какого наземного животного
самый большой мозг?
У слона –
из-за размеров тела
Знаете ли вы, какие звёзды сопоставимы по размеру с земными городами?
Это нейтронные звёзды
с диаметром 10-20 километров
Как вы думаете, какой длины будет цепочка из ДНК всех клеток человеческого тела, если их раскрутить?
16 миллиардов км – это от Земли до Плутона и обратно
От названия какого животного произошло слово «вакцина»?
Коровы.
В переводе с латинского «vaccinia» — «коровья»
Существует ли «одежда» для реактора и где у него можно
найти «юбку» и «тюбетейку»?
Это неформальные названия верхней и средней части контейнмента
Какую знаменитую фразу
Игорь Курчатов произнёс
во время пуска первой в мире
Обнинской АЭС?
«С лёгким
паром!»
Как вы думаете, существуют ли животные, способные выжить в открытом космосе?
Это тихоходки, побывавшие на внешней стороне МКС
А вы знали, что все натуральные продукты содержат небольшое количество радиоактивных изотопов?
Например, средний банан содержит 0,42 грамма калия
Что сделали физики Константин Петржак и Георгий Флёров в 1940 году на московской станции метро «Динамо»?
Экспериментально доказали спонтанное деление ядер урана
А знаете ли вы, какой из элементов считается самым дорогим в мире, а его мировой запас составляет 8 граммов?
Калифорний-252 стоит 10 млн.
долларов за грамм
Правда ли, что мечехвосты живут
на Земле уже 300 миллионов лет,
у них 10 глаз и голубая кровь?
Да. Их кровью проверяют чистоту медицинских препаратов
Новости
Все новости
Новости твоего города
Наши форматы
Все форматы
Команда ИЦАЭ
Информационные центры
по атомной энергии присутствуют в19 городах России
Найди свой город
Найди свой город
Эксперты ИЦАЭ
Все эксперты
ПОДПИШИСЬ НА РАССЫЛКУ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫХ
СОБЫТИЙ ТВОЕГО ГОРОДА
Школьник запустил дома реакцию ядерного синтеза
10 октября 2020
18:46
12-летний школьник из США попал в Книгу рекордов Гиннесса как самый юный изобретатель, который провел реакцию ядерного синтеза.
Компактный реактор он собрал у себя в игровой комнате. Откуда мальчик взял тысячи долларов на реактивы и насколько опасны такие эксперименты?
Достижение Джексона Освальда – так зовут юного физика из штата Теннесси – признали официально. Обязательное условия для этого – публикация в научном журнале с обоснованием результатов опытов. А первую успешную реакцию он провел еще в 2018 году, за несколько дней до 13-летия.
Джексон впервые заинтересовался ядерной физикой в 10 лет, когда узнал о Тейлоре Уилсоне – это прежний обладатель рекорда Гиннесса как самый юный автор реакции ядерного синтеза; ему на тот момент было 14 лет. Создать лабораторию Освальду помогли родители, на это ушло 10 тысяч долларов. Необходимое оборудование покупали на интернет-аукционах.
«Этот проект был очень сложным. Я потратил, наверное, около полугода, пытаясь исправить прокладку, чтобы не происходила утечка из камеры реактора. Только после этого мне с помощью турбомолекулярного насоса удалось создать вакуум.
Это был один из моментов, когда родители явно сомневались, давать ли мне деньги на продолжение эксперимента», – рассказал Джексон Освальд.
Топливом для реакции является дейтерий – стабильный изотоп водорода. Ампулы с ним встречаются в свободной продаже. Дейтерий используется в нейтронных генераторах, а также в качестве индикатора в химических и биологических экспериментах.
Для осуществления реакции необходимо очень малое количество дейтерия – в случае с Освальдом 40 микронов, но относительно большое напряжение – несколько десятков тысяч вольт.
«Ядерный синтез — это очень опасный процесс. В основном из-за высокого напряжения, которое используется в реакторе. Нужно носить средства защиты, перчатки и халат. В моем термоблоке температура меняется, но в среднем она составляет 100 миллионов градусов по Цельсию» – сообщил Джексон.
Как работает такая установка? В нее под низким давлением подается дейтерий. Решетка внутри – под высоким напряжением. В результате от атомов водорода отрываются электроны и высвобождаются несущие огромную энергию нейтроны.
Они устремляются к катоду, часть проскакивает сквозь сетку и сжимается в плотный сгусток плазмы. На словах все звучит довольно убедительно, однако производительность самодельного реактора даже близко нельзя сопоставить с реальным ядерным объектом.
«Эти условия достигаются не в большом объеме, а в очень-очень маленьком объеме, где происходит термоядерная реакция. Просто в крошечном, ничтожном. Потому что в этот маленький объемчик стреляет вот эта высоковольтная пушка. Это напряжение разгоняет частицы, и они попадают в очень-очень крошечный объем. Поэтому там энерговыделение на несколько десятков, может быть, порядков меньше, чем в действительно эффективных установках для термоядерного синтеза», – пояснил Дмитрий Побединский, физик, популяризатор науки, автор видеоблога «Физика от Побединского».
К слову, Джексон Освальд далеко не первый молодой человек, который провел ядерную реакцию на подобной установке. Такой компактный реактор, иначе фузор, впервые сконструировали американские изобретатели Фарнсуорт и Хирш в 1964 году.
Сейчас опыты с фузорами довольно распространены, но чаще всего их проводят студенты, и довольно большими группами. Сборка установки и сам эксперимент -процессы трудоемкие.
«Оказалось, что есть сайты, посвященные фузорам, есть целые сообщества, где люди обсуждают, как это сделать, что-то где-то подкрутить, настроить. Так что это такая активно развивающаяся область, и люди очень этим интересуются», – отметил Дмитрий Побединский.
Собрать такую установку действительно может почти каждый физик-любитель. Но смысла делать это в практических целях, например, для освещения своего дома, нет. Дело в том, что в подобных фузорах велики энергопотери – их использование экономически невыгодно, а значит подобные эксперименты останутся эффектным доказательством пытливости ума и возможностью попасть в Книгу рекордов Гиннесса.
наука
ядерный синтез
общество
новости
DOE объясняет… Топливо дейтериево-тритиевого термоядерного реактора
Управление
Наука
В ядре всех изотопов водорода имеется только один протон, но количество нейтронов разное.
Изображение предоставлено General Atomics
Термоядерная энергия может обеспечить безопасную, чистую и почти безграничную энергию. Хотя реакции синтеза могут происходить для легких ядер с меньшим весом, чем железо, большинство элементов не будут сливаться, если они не находятся внутри звезды. Чтобы создать горящую плазму в экспериментальных термоядерных реакторах, таких как токамаки и стеллараторы, ученые ищут топливо, которое относительно легко производить, хранить и доводить до синтеза. Текущая лучшая ставка для термоядерных реакторов — 9.0009 дейтериево-тритиевое топливо . Это топливо достигает условий синтеза при более низких температурах по сравнению с другими элементами и выделяет больше энергии, чем другие реакции синтеза.
Дейтерий и тритий — изотопы водорода, самого распространенного элемента во Вселенной. В то время как все изотопы водорода имеют один протон, дейтерий также имеет один нейтрон, а тритий имеет два нейтрона, поэтому их ионные массы тяжелее протия, изотопа водорода без нейтронов.
Когда дейтерий и тритий сливаются, они создают ядро гелия, которое имеет два протона и два нейтрона. Реакция высвобождает энергичный нейтрон. Термоядерные электростанции будут преобразовывать энергию, высвобождаемую в результате термоядерных реакций, в электричество для питания наших домов, предприятий и других нужд.
К счастью, дейтерий широко распространен. Примерно 1 из каждых 5000 атомов водорода в морской воде находится в форме дейтерия. Это означает, что наши океаны содержат много тонн дейтерия. Когда термоядерная энергия станет реальностью, всего один галлон морской воды сможет произвести столько же энергии, сколько 300 галлонов бензина.
Тритий — радиоактивный изотоп, который относительно быстро распадается (период полураспада — 12 лет) и редко встречается в природе. К счастью, воздействие энергичных нейтронов на более распространенный элемент лития может привести к образованию трития. Работающей термоядерной электростанции потребуется обогащенный литий для производства трития, необходимого для замыкания дейтериево-тритиевого топливного цикла.
Текущие усилия в области НИОКР сосредоточены на усовершенствованных конструкциях воспроизводящих тритий бланкетов с использованием лития, первоначально полученного из земных источников.
Управление науки Министерства энергетики США: Вклад в дейтериево-тритиевое топливо
Часть миссии отдела науки Министерства энергетики, программа термоядерной энергетики (FES) заключается в разработке практического источника термоядерной энергии. FES работает с программой Advanced Scientific Computing Research, используя научные вычисления для развития науки о термоядерном синтезе и понимания влияния массы ионов на различные явления в плазме. На пользовательских объектах Office of Science, таких как токамак DIII-D и сферический токамак NSTX-U, ученые изучают влияние массы ионов на удержание плазмы, перенос и турбулентность. Удержание продуктов синтеза, таких как ион гелия, также изучается в присутствии винтовых магнитных полей. Программа Office of Science Nuclear Physics развивает фундаментальную ядерную науку, лежащую в основе понимания термоядерного синтеза, путем создания баз данных ядерных реакций, создания ядерных изотопов и выяснения аспектов нуклеосинтеза.
Факты о дейтериево-тритиевом топливе
- Вода, полученная из дейтерия, примерно на 10 процентов тяжелее обычной воды. Вот почему ее иногда называют «тяжелой водой». Он фактически опустится на дно стакана с обычной водой.
- Источники трития на Земле включают естественное производство в результате взаимодействия с космическими лучами, энергетические ядерные реакторы деления, такие как тяжеловодный реактор CANDU, и испытания ядерного оружия.
- Чтобы избежать определенных проблем, связанных с исследованиями и разработками, включая повреждение конструкционных материалов от энергичных нейтронов, ученые, занимающиеся термоядерным синтезом, также интересуются анейтронными реакциями синтеза (такими как синтез дейтерия-гелия-3 и протона-бора), даже если эти реакции синтеза происходят при более высоких температурах ионов, чем для дейтерия. и тритий.
Ресурсы и связанные термины
- Как работает термоядерная энергия?
- Программа Министерства энергетики США по науке о термоядерной энергетике
- Наука крупным планом: разработка поваренной книги для эффективной термоядерной энергии
- Fusion Research стимулирует инновации
- Узнайте о совместных усилиях Министерства энергетики и частного сектора по развитию термоядерной энергетики в этих презентациях семинара в июне 2022 года.
Благодарности
Мэтью Ланктот (Управление науки Министерства энергетики США)
Научные термины могут сбивать с толку. Объяснения DOE предлагают простые объяснения ключевых слов и понятий в фундаментальной науке. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.
Мечтайте о неограниченной чистой энергии ядерного синтеза в пределах досягаемости
Солнце питало жизнь на Земле в течение миллиардов лет, создавая свет и тепло посредством ядерного синтеза. Учитывая эту невероятную мощность и долговечность, вряд ли может быть лучший способ генерировать энергию, чем использование тех же ядерных процессов, которые происходят в нашей собственной и других звездах.
Реакторы ядерного синтеза призваны воспроизвести этот процесс путем слияния атомов водорода с образованием гелия, высвобождая энергию в виде тепла.
Поддержание этого в масштабе может создать безопасный, чистый, почти неиссякаемый источник энергии.
Поиски начались несколько десятилетий назад, но может ли давняя шутка о том, что до ядерного синтеза осталось 30 лет, скоро начать казаться 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, что непостижимо в 10 раз горячее, чем ядро Солнца.
В ходе продолжительного пятисекундного взрыва исследователи из консорциума EUROfusion выпустили рекордные 59 мегаджоулей (МДж) энергии синтеза.
Это почти втрое превышает предыдущий рекорд в 21,7 МДж, установленный на том же объекте в 1997 году, а результаты преподносятся 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.
Результаты обеспечили значительный импульс перед следующей фазой 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 Франции9.0003
ИТЭР, который строится в результате сотрудничества 35 стран, включая страны ЕС, направлен на дальнейшее укрепление концепции термоядерного синтеза. Это одна из самых сложных машин, когда-либо созданных. Планировалось, что она начнет генерировать свою первую плазму в 2025 году, а в 2035 году начнет работать на большой мощности, хотя исследователи проекта ожидают некоторых задержек из-за пандемии.
Вид на плазму экспериментального термоядерного реактора JET. © Консорциум EUROfusion (2022)
Важная веха
Результаты JET представляют собой важную веху, сказал профессор Тони Донне, руководитель программы проекта EUROfusion, крупного консорциума из 4 800 экспертов, студентов и объектов по всей Европе. «Это огромная веха — самая большая за долгое время», — сказал он.
«Подтверждено все моделирование, так что это действительно повысило уверенность в том, что ИТЭР будет работать и делать то, для чего он предназначен». реакция с выделением энергии.
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 — самая большая за долгое время. Это подтверждено всем моделированием.
Профессор Тони Донне, EUROfusion
Раньше стена была сделана из углерода, но она оказалась слишком реакционноспособной из-за топливной смеси 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, в ходе которой было задействовано 16 000 компонентов и 4 000 тонн металла, углерод был заменен на бериллий и вольфрам, чтобы уменьшить удержание 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 обновления JET обеспечили 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 создаст 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 термоядерный синтез возможен. ИТЭР должен показать, что он осуществим, а DEMO должен будет продемонстрировать, что он действительно работает».
Запланировано обеспечить до 500 мегаватт (МВт) в сеть, он считает реалистичным запуск DEMO примерно в 2050 году. «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.
Основные источники энергии
Профессор Донне сказал, что ядерный 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.