Содержание
Термоядерные реакторы, как они работают и есть ли у них будущее
Вторая половина XX века была периодом бурного развития ядерной физики. Стало ясно, что ядерные реакции можно использовать для получения огромной энергии из мизерного количества топлива. От взрыва первой ядерной бомбы до первой АЭС прошло всего девять лет, и когда в 1952 году была испытана водородная бомба, появились прогнозы, что уже в 1960-х вступят в строй термоядерные электростанции. Увы, эти надежды не оправдались.
Игорь Егоров
Основной источник энергии для человечества в настоящее время — сжигание угля, нефти и газа. Но их запасы ограничены, а продукты сгорания загрязняют окружающую среду. Угольная электростанция дает больше радиоактивных выбросов, чем АЭС такой же мощности! Так почему же мы до сих пор не перешли на ядерные источники энергии? Причин тому много, но главной из них в последнее время стала радиофобия. Несмотря на то что угольная электростанция даже при штатной работе вредит здоровью куда большего числа людей, чем аварийные выбросы на АЭС, она делает это тихо и незаметно для публики. Аварии же на АЭС сразу становятся главными новостями в СМИ, вызывая общую панику (часто совершенно необоснованную). Впрочем, это вовсе не означает, что у ядерной энергетики нет объективных проблем. Немало хлопот доставляют радиоактивные отходы: технологии работы с ними все еще крайне дороги, и до идеальной ситуации, когда все они будут полностью перерабатываться и использоваться, еще далеко.
От деления к синтезу
Потенциально решить эти проблемы позволяет переход от реакторов деления к реакторам синтеза. Если типичный реактор деления содержит десятки тонн радиоактивного топлива, которое преобразуется в десятки тонн радиоактивных отходов, содержащих самые разнообразные радиоактивные изотопы, то реактор синтеза использует лишь сотни граммов, максимум килограммы, одного радиоактивного изотопа водорода — трития. Кроме того, что для реакции требуется ничтожное количество этого наименее опасного радиоактивного изотопа, его производство к тому же планируется осуществлять непосредственно на электростанции, чтобы минимизировать риски, связанные с транспортировкой. Продуктами синтеза являются стабильные (не радиоактивные) и нетоксичные водород и гелий. Кроме того, в отличие от реакции деления, термоядерная реакция при разрушении установки моментально прекращается, не создавая опасности теплового взрыва. Так почему же до сих пор не построено ни одной действующей термоядерной электростанции? Причина в том, что из перечисленных преимуществ неизбежно вытекают недостатки: создать условия синтеза оказалось куда сложнее, чем предполагалось в начале.
Чтобы термоядерная реакция была энергетически выгодной, нужно обеспечить достаточно высокую температуру термоядерного топлива, достаточно высокую его плотность и достаточно малые потери энергии. Последние численно характеризуются так называемым «временем удержания», которое равно отношению запасённой в плазме тепловой энергии к мощности потерь энергии (многие ошибочно полагают, что «время удержания» – это время, в течение которого в установке поддерживается горячая плазма, но это не так). При температуре смеси дейтерия и трития, равной 10 кэВ (примерно 110 000 000 градусов), нам нужно получить произведение числа частиц топлива в 1 см3 (т. е. концентрации плазмы) на время удержания (в секундах) не менее 1014. При этом неважно, будет ли у нас плазма с концентрацией 1014 см-3 и временем удержания 1 с, или плазма с концентрацией 1023 и время удержания 1 нс. Это критерий называется «критерием Лоусона».
Кроме критерия Лоусона, отвечающего за получение энергетически выгодной реакции, существует ещё критерий зажигания плазмы, который для дейтерий-тритиевой реакции примерно втрое больше критерия Лоусона. «Зажигание» означает, что той доли термоядерной энергии, что остаётся в плазме, будет хватать для поддержания необходимой температуры, и дополнительный нагрев плазмы больше не потребуется.
Z-пинч
Первым устройством, в котором планировалось получить управляемую термоядерную реакцию, стал так называемый Z-пинч. Эта установка в простейшем случае состоит всего из двух электродов, находящихся среде дейтерия (водорода-2) или смеси дейтерия и трития, и батареи высоковольтных импульсных конденсаторов. На первый взгляд кажется, что она позволяет получить сжатую плазму, разогретую до огромной температуры: именно то, что нужно для термоядерной реакции! Однако в жизни все оказалось, увы, далеко не так радужно. Плазменный жгут оказался неустойчивым: малейший его изгиб приводит к усилению магнитного поля с одной стороны и ослаблению с другой, возникающие силы еще больше увеличивают изгиб жгута — и вся плазма «вываливается» на боковую стенку камеры. Жгут неустойчив не только к изгибу, малейшее его утоньшение приводит к усилению в этой части магнитного поля, которое еще сильнее сжимает плазму, выдавливая ее в оставшийся объем жгута, пока жгут не будет окончательно «передавлен». Передавленная часть обладает большим электрическим сопротивлением, так что ток обрывается, магнитное поле исчезает, и вся плазма рассеивается.
Стабилизировать плазменный жгут удалось, наложив на него мощное внешнее магнитное поле, параллельное току, и поместив в толстый проводящий кожух (при перемещении плазмы перемещается и магнитное поле, что индуцирует в кожухе электрический ток, стремящийся вернуть плазму на место). Плазма перестала изгибаться и пережиматься, но до термоядерной реакции в сколько-нибудь серьезных масштабах все равно было далеко: плазма касается электродов и отдает им свое тепло.
Современные работы в области синтеза на Z-пинче предполагают еще один принцип создания термоядерной плазмы: ток протекает через трубку из плазмы вольфрама, которая создает мощное рентгеновское излучение, сжимающее и разогревающее капсулу с термоядерным топливом, находящуюся внутри плазменной трубки, подобно тому, как это происходит в термоядерной бомбе. Однако эти работы имеют чисто исследовательский характер (изучаются механизмы работы ядерного оружия), а выделение энергии в этом процессе все еще в миллионы раз меньше, чем потребление.
Пробкотрон, стелларатор, токамак
Другой вариант создания необходимых для реакции условий — так называемые открытые магнитные ловушки. Самая известная из них — «пробкотрон»: труба с продольным магнитным полем, которое усиливается на ее концах и ослабевает в середине. Увеличенное на концах поле создает «магнитную пробку» (откуда русское название), или «магнитное зеркало» (английское — mirror machine), которое удерживает плазму от выхода за пределы установки через торцы. Однако такое удержание неполное, часть заряженных частиц, движущихся по определенным траекториям, оказывается способной пройти через эти пробки. А в результате столкновений любая частица рано или поздно попадет на такую траекторию. Кроме того, плазма в пробкотроне оказалась еще и неустойчивой: если в каком-то месте небольшой участок плазмы удаляется от оси установки, возникают силы, выбрасывающие плазму на стенку камеры. Хотя базовая идея пробкотрона была значительно усовершенствована (что позволило уменьшить как неустойчивость плазмы, так и проницаемость пробок), к параметрам, необходимым для энергетически выгодного синтеза, на практике даже приблизиться не удалось.
Можно ли сделать так, чтобы плазма не уходила через «пробки»? Казалось бы, очевидное решение — свернуть плазму в кольцо. Однако тогда магнитное поле внутри кольца получается сильнее, чем снаружи, и плазма снова стремится уйти на стенку камеры. Выход из этой непростой ситуации тоже казался довольно очевидным: вместо кольца сделать «восьмерку», тогда на одном участке частица будет удаляться от оси установки, а на другом — возвращаться назад. Именно так ученые пришли к идее первого стелларатора. Но такую «восьмерку» нельзя сделать в одной плоскости, так что пришлось использовать третье измерение, изгибая магнитное поле во втором направлении, что тоже привело к постепенному уходу частиц от оси к стенке камеры.
Ситуация резко изменилась с созданием установок типа «токамак». Результаты, полученные на токамаке Т-3 во второй половине 1960-х годов, были столь ошеломляющими для того времени, что западные ученые приезжали в СССР со своим измерительным оборудованием, чтобы убедиться в параметрах плазмы самостоятельно. Реальность даже превзошла их ожидания.
В руках инерции
Помимо магнитного удержания существует и принципиально иной подход к термоядерному синтезу — инерциальное удержание. Если в первом случае мы стараемся долгое время удерживать плазму очень низкой концентрации (концентрация молекул в воздухе вокруг вас в сотни тысяч раз больше), то во втором — сжимаем плазму до огромной плотности, на порядок выше плотности самых тяжелых металлов, в расчете, что реакция успеет пройти за то короткое время, пока плазма не успела разлететься в стороны.
Первоначально, в 1960-х годах, планировалось использовать маленький шарик из замороженного термоядерного топлива, равномерно облучаемый со всех сторон множеством лазерных лучей. Поверхность шарика должна была моментально испариться и, равномерно расширяясь во все стороны, сжать и нагреть оставшуюся часть топлива. Однако на практике облучение оказалось недостаточно равномерным. Кроме того, часть энергии излучения передавалась во внутренние слои, вызывая их нагрев, что усложняло сжатие. В итоге шарик сжимался неравномерно и слабо.
Проблему неравномерности удалось решить, существенно изменив конструкцию мишени. Теперь шарик размещается внутри специальной небольшой металлической камеры (она называется «хольраум», от нем. hohlraum — полость) с отверстиями, через которые внутрь попадают лазерные лучи. Кроме того, используются кристаллы, конвертирующие лазерное излучение ИК-диапазона в ультрафиолетовое. Это УФ-излучение поглощается тончайшим слоем материала хольраума, который при этом нагревается до огромной температуры и излучает в области мягкого рентгена. В свою очередь, рентгеновское излучение поглощается тончайшим слоем на поверхности топливной капсулы (шарика с топливом). Это же позволило решить и проблему преждевременного нагрева внутренних слоев.
Однако мощность лазеров оказалась недостаточной для того, чтобы в реакцию успела вступить заметная часть топлива. Кроме того, эффективность лазеров была весьма мала, лишь около 1%. Чтобы синтез был энергетически выгодным при таком низком КПД лазеров, должно было прореагировать практически все сжатое топливо. При попытках заменить лазеры на пучки легких или тяжелых ионов, которые можно генерировать с куда большим КПД, ученые также столкнулись с массой проблем: легкие ионы отталкиваются друг от друга, что мешает их фокусировке, и тормозятся при столкновениях с остаточным газом в камере, а ускорителей тяжелых ионов с нужными параметрами создать не удалось.
Магнитные перспективы
Большинство надежд в области термоядерной энергетики сейчас связано с токамаками. Особенно после открытия у них режима с улучшенным удержанием. Токамак является одновременно и свернутым в кольцо Z-пинчем (по плазме протекает кольцевой электрический ток, создающий магнитное поле, необходимое для ее удержания), и последовательностью пробкотронов, собранных в кольцо и создающих «гофрированное» тороидальное магнитное поле. Кроме того, на тороидальное поле катушек и поле плазменного тока накладывается перпендикулярное плоскости тора поле, создаваемое несколькими отдельными катушками. Это дополнительное поле, называемое полоидальным, усиливает магнитное поле плазменного тока (также полоидальное) с внешней стороны тора и ослабляет его с внутренней стороны. Таким образом суммарное магнитное поле со всех сторон от плазменного жгута оказывается одинаковым, и его положение остается стабильным. Меняя это дополнительное поле, можно в определенных пределах перемещать плазменный жгут внутри вакуумной камеры.
Важной проблемой токамаков долгое время была необходимость создавать в плазме кольцевой ток. Для этого через центральное отверстие тора токамака пропускали магнитопровод, магнитный поток в котором непрерывно изменяли. Изменение магнитного потока рождает вихревое электрическое поле, которое ионизирует газ в вакуумной камере и поддерживает ток в получившейся плазме. Однако ток в плазме должен поддерживаться непрерывно, а это означает, что магнитный поток должен непрерывно изменяться в одном направлении. Это, разумеется, невозможно, так что ток в токамаках удавалось поддерживать лишь ограниченное время (от долей секунды до нескольких секунд). К счастью, был обнаружен так называемый бутстреп-ток, который возникает в плазме без внешнего вихревого поля. Кроме того, были разработаны методы нагрева плазмы, одновременно вызывающие в ней необходимый кольцевой ток. Совместно это дало потенциальную возможность сколь угодно длительного поддержания горячей плазмы. На практике рекорд на данный момент принадлежит токамаку Tore Supra, где плазма непрерывно «горела» более шести минут.
Второй тип установок удержания плазмы, с которым связаны большие надежды, — это стеллараторы. За прошедшие десятилетия конструкция стеллараторов кардинально изменилась. От первоначальной «восьмерки» почти ничего не осталось, и эти установки стали гораздо ближе к токамакам. Хотя пока время удержания у стеллараторов меньше, чем у токамаков (из-за менее эффективной H-моды), а себестоимость их постройки выше, поведение плазмы в них более спокойное, что означает более высокий ресурс первой внутренней стенки вакуумной камеры. Для коммерческого освоения термоядерного синтеза этот фактор представляет очень большое значение.
На первый взгляд, в качестве термоядерного топлива логичнее всего использовать чистый дейтерий: он стоит относительно дёшево и безопасен. Однако дейтерий с дейтерием реагирует в сотню раз менее охотно, чем с тритием. Это означает, что для работы реактора на смеси дейтерия и трития достаточно температуры 10 кэВ, а для работы на чистом дейтерии нужна температура более 50 кэВ. А чем выше температура – тем выше потери энергии. Поэтому как минимум первое время термоядерную энергетику планируется строить на дейтерий-тритиевом топливе. Тритий при этом будет нарабатываться в самом реакторе за счёт облучения образующимися в нём быстрыми нейтронами лития.
«Неправильные» нейтроны. В культовом фильме «9 дней одного года» главный герой, работая на термоядерной установке, получил серьёзную дозу нейтронного облучения. Однако позднее оказалось, что нейтроны эти рождены не в результате реакции синтеза. Это не выдумка режиссера, а реальный эффект, наблюдаемый в Z-пинчах. В момент обрыва электрического тока индуктивность плазмы приводит к генерации огромного напряжения – миллионы вольт. Отдельные ионы водорода, ускорившись в этом поле, способны буквально выбивать нейтроны из электродов. Поначалу это явление действительно было принято за верный признак протекания термоядерной реакции, но последующий анализ спектра энергий нейтронов показал, что они имеют иное происхождение.
Режим с улучшенным удержанием. H-мода токамака – это такой режим его работы, когда при большой мощности дополнительного нагрева потери плазмой энергии резко уменьшаются. Случайное открытие в 1982 году режима с улучшенным удержанием по своей значимости не уступает изобретению самого токамака. Общепринятой теории этого явления пока еще не существует, но это ничуть не мешает использовать его на практике. Все современные токамаки работают в этом режиме, так как он уменьшает потери более чем в два раза. Впоследствии подобный режим был обнаружен и на стеллараторах, что указывает на то, что это общее свойство тороидальных систем, однако на них удержание улучшается лишь примерно на 30%.
Нагрев плазмы. Существует три основных метода нагрева плазмы до термоядерных температур. Омический нагрев – это нагрев плазмы за счёт протекания через неё электрического тока. Этот метод наиболее эффективен на первых этапах, так как с ростом температуры у плазмы снижается электрическое сопротивление. Электромагнитный нагрев использует электромагнитные волны с частотой, совпадающей с частотой вращения вокруг магнитных силовых линий электронов или ионов. При инжекции быстрых нейтральных атомов создаётся поток отрицательных ионов, которые затем нейтрализуются, превращаясь в нейтральные атомы, способные проходить через магнитное поле в центр плазмы, чтобы передать свою энергию именно там.
А реакторы ли это? Тритий радиоактивен, а мощное нейтронное облучение от D-T реакции создаёт наведённую радиоактивность в элементах конструкции реактора. Приходится использовать роботов, что усложняет работу. В то же время поведение плазмы обычного водорода или дейтерия весьма близко к поведению плазмы из смеси дейтерия и трития. Это привело к тому, что за всю историю лишь две термоядерные установки полноценно работали на смеси дейтерия и трития: токамаки TFTR и JET. На остальных установках даже дейтерий используется далеко не всегда. Так что название «термоядерная» в определении установки вовсе не означает, что в ней когда-либо реально происходили термоядерные реакции (а в тех, где происходят, почти всегда используют чистый дейтерий).
Гибридный реактор. D-T реакция рождает 14 МэВ нейтроны, которые могут делить даже обеднённый уран. Деление одного ядра урана сопровождается выделением примерно 200 МэВ энергии, что в десять с лишним раз превосходит энергию, выделяющуюся при синтезе. Так что уже существующие токамаки могли бы стать энергетически выгодными, если бы их окружили урановой оболочкой. Перед реакторами деления такие гибридные реакторы имели бы преимущество в невозможности развития в них неуправляемой цепной реакции. Кроме того, крайне интенсивные потоки нейтронов должны перерабатывать долгоживущие продукты деления урана в короткоживущие, что существенно снижает проблему захоронения отходов.
Инерциальные надежды
Инерциальный синтез тоже не стоит на месте. За десятки лет развития лазерной техники появились перспективы повысить КПД лазеров примерно в десять раз. А их мощность на практике удалось повысить в сотни и тысячи раз. Ведутся работы и над ускорителями тяжелых ионов с параметрами, пригодными для термоядерного применения. Кроме того, важнейшим фактором прогресса в области инерциального синтеза стала концепция «быстрого поджига». Она предполагает использование двух импульсов: один сжимает термоядерное топливо, а другой разогревает его небольшую часть. Предполагается, что начавшаяся в небольшой части топлива реакция впоследствии распространится дальше и охватит все топливо. Такой подход позволяет существенно снизить затраты энергии, а значит, сделать реакцию выгодной при меньшей доле прореагировавшего топлива.
Проблемы токамаков
Несмотря на прогресс установок иных типов, токамаки на данный момент все равно остаются вне конкуренции: если на двух токамаках (TFTR и JET) еще в 1990-х реально было получено выделение термоядерной энергии, приблизительно равное затратам энергии на нагрев плазмы (пусть такой режим и длился лишь около секунды), то на установках других типов ничего подобного добиться не удалось. Даже простое увеличение размеров токамаков приведет к осуществимости в них энергетически выгодного синтеза. Сейчас во Франции строится международный реактор ITER, который должен будет продемонстрировать это на практике.
Однако проблем хватает и у токамаков. ITER стоит миллиарды долларов, что неприемлемо для будущих коммерческих реакторов. Ни один реактор не работал непрерывно в течение даже нескольких часов, не говоря уж о неделях и месяцах, что опять же необходимо для промышленного применения. Пока нет уверенности, что материалы внутренней стенки вакуумной камеры смогут выдержать длительное воздействие плазмы.
Сделать проект менее затратным сможет концепция токамака с сильным полем. За счет увеличения поля в два-три раза планируется получить нужные параметры плазмы в относительно небольшой установке. На такой концепции, в частности, основан реактор Ignitor, который совместно с итальянскими коллегами сейчас начинают строить в подмосковном ТРИНИТИ (Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований). Если расчеты инженеров оправдаются, то при многократно меньшей по сравнению с ITER цене в этом реакторе удастся получить зажигание плазмы.
Вперед, к звездам!
Продукты термоядерной реакции разлетаются в разные стороны со скоростями, составляющими тысячи километров в секунду. Это делает возможным создание сверхэффективных ракетных двигателей. Удельный импульс у них будет выше, чем у лучших электрореактивных двигателей, а потребление энергии при этом может быть даже отрицательным (теоретически возможна выработка, а не потребление энергии). Более того, есть все основания полагать, что сделать термоядерный ракетный двигатель будет даже проще, чем наземный реактор: нет проблемы с созданием вакуума, с теплоизоляцией сверхпроводящих магнитов, нет ограничений по габаритам и т. д. Кроме того, выработка двигателем электроэнергии желательна, но вовсе не обязательна, достаточно, чтобы он не слишком много ее потреблял.
Концепцию электростатического удержания ионов легче всего понять на примере установки, называемой «фузором». Её основу составляет сферический сетчатый электрод, на который подаётся отрицательный потенциал. Ускоренные в отдельном ускорителе или полем самого центрального электрода ионы попадают внутрь его и удерживаются там электростатическим полем: если ион стремится вылететь наружу, поле электрода разворачивает его назад. Увы, вероятность столкновения иона с сеткой на много порядков выше, чем вероятность вступить в реакцию синтеза, что делает энергетически выгодную реакцию невозможной. Подобные установки нашли применение лишь в качестве источников нейтронов.
Стремясь совершить сенсационное открытие, многие учёные стремятся видеть синтез везде, где только можно. В прессе многократно возникали сообщения по поводу различных вариантов так называемого «холодного синтеза». Синтез обнаруживали в «пропитанных» дейтерием металлах при протекании через них электрического тока, при электролизе насыщенных дейтерием жидкостей, во время образования в них кавитационных пузырьков, а также в других случаях. Однако большинство из этих экспериментов не имели удовлетворительной воспроизводимости в других лабораториях, а их результаты практически всегда можно объяснить без использования синтеза.
Продолжая «славную традицию», начавшуюся с «философского камня», а затем превратившуюся в «вечный двигатель», многие современные мошенники предлагают уже сейчас купить у них «генератор холодного синтеза», «кавитационный реактор» и прочие «бестопливные генераторы»: про философский камень все уже забыли, в вечный двигатель не верят, а вот ядерный синтез сейчас звучит вполне убедительно. Но, увы, на самом деле таких источников энергии пока не существует (а когда их удастся создать, это будет во всех выпусках новостей). Так что знайте: если вам предлагают купить устройство, вырабатывающее энергию за счёт холодного ядерного синтеза, то вас пытаются просто «надуть»!
По предварительным оценкам, даже при современном уровне техники возможно создание термоядерного ракетного двигателя для полета к планетам Солнечной системы (при соответствующем финансировании). Освоение технологии таких двигателей в десятки раз повысит скорость пилотируемых полетов и даст возможность иметь на борту большие резервные запасы топлива, что позволит сделать полет на Марс не более сложным занятием, чем сейчас работа на МКС. Для автоматических станций потенциально станет доступной скорость в 10% от скорости света, что означает возможность отправки исследовательских зондов к ближайшим звездам и получение научных данных еще при жизни их создателей.
Наиболее проработанной в настоящее время считается концепция термоядерного ракетного двигателя на основе инерциального синтеза. При этом отличие двигателя от реактора заключается в магнитном поле, которое направляет заряженные продукты реакции в одну сторону. Второй вариант предполагает использование открытой ловушки, у которой одна из пробок намеренно ослаблена. Истекающая из нее плазма будет создавать реактивную силу.
Термоядерное будущее
Освоение термоядерного синтеза оказалось на много порядков сложнее, чем это казалось вначале. И хотя множество проблем уже решено, оставшихся хватит на несколько ближайших десятилетий напряженного труда тысяч ученых и инженеров. Но перспективы, которые открывают перед нами превращения изотопов водорода и гелия, столь велики, а проделанный путь уже столь значителен, что останавливаться на полпути не имеет смысла. Что бы ни говорили многочисленные скептики, будущее, безусловно, за синтезом.
Термоядерный синтез в 2030-е годы может стать практической реальностью
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.
Так выглядит ИТЭР в разрезе.
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, ИТЭР, 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.
Американский физик Лайман Спитцер и советский ученый Олег Леонтьев стояли у истоков термоядерного 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.
Строительная площадка ИТЭР
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.
Больше энергии, чем используется для создания реакции
смотреть сейчас
Во вторник глава Министерства энергетики и другие федеральные научные лидеры объявили, что реакция синтеза, проведенная в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии, достигла чистой энергии, то есть реакции генерировал больше энергии, чем было затрачено на инициирование реакции. Человечество впервые достигло этой вехи.
Синтез — это способ, с помощью которого солнце производит энергию, но воссоздание полезной термоядерной реакции здесь, на Земле, ускользало от ученых в течение десятилетий. Достижение чистой положительной энергии прокладывает путь для перехода термоядерного синтеза от лабораторной науки к пригодному для использования источнику энергии, хотя до крупномасштабной коммерциализации термоядерного синтеза могут пройти десятилетия.
Термоядерный синтез особенно привлекателен, учитывая растущую актуальность изменения климата, потому что, если он может быть коммерциализирован в масштабе, он не производит выбросов углерода и не производит долгосрочных ядерных отходов, связанных с ядерным делением, которое является типом ядерной энергии. используется для производства энергии сегодня.
Целевая камера National Ignition Facility в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса — место, где ученые стреляют лазерами, наблюдают и измеряют, что происходит, когда эти лазеры сталкиваются с источником топлива. На этом объекте создаются температуры в 100 миллионов градусов и давления, достаточно экстремальные, чтобы сжать цель до 100-кратной плотности свинца.
Фото Дэмиена Джемисона/Лоуренса Ливерморская национальная лаборатория
«Понедельник, 5 декабря 2022 года, был важным днем в науке», — заявила Джилл Хруби, администратор Национального управления по ядерной безопасности, на пресс-конференции, посвященной новостям, во вторник в Вашингтоне. DC «Достижение воспламенения в эксперименте по управляемому термоядерному синтезу — это достижение, которое было достигнуто после более чем 60 лет глобальных исследований, разработок, проектирования и экспериментов».
Достижение воспламенения означает, что эксперимент по синтезу произвел больше энергии от синтеза, чем энергия лазера, которая использовалась для запуска реакции. После эксперимента команда анализировала данные, чтобы сделать это официальное объявление.
«Это важно. Предыдущие результаты были рекордными, но они еще не производили больше энергии, чем потребляли», — сказал CNBC Эндрю Холланд, генеральный директор отраслевой торговой группы Fusion Industry Association. «Впервые на Земле ученые подтвердили, что эксперимент с термоядерной энергией высвободил больше энергии, чем требуется для запуска, доказав физическую основу для термоядерной энергии. Это сделает термоядерный синтез безопасным и устойчивым источником энергии в ближайшем будущем».
В ходе эксперимента 5 декабря в реакцию ушло около двух мегаджоулей (единица энергии) и вышло около трех мегаджоулей, сказал Марвин Адамс, заместитель администратора оборонных программ в Национальном управлении ядерной безопасности. «Выигрыш в 1,5 раза», — сказал Адамс.
В ходе эксперимента сверхмощные лазеры были направлены на очень маленькую топливную мишень в Национальном центре воспламенения в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. «Во время экспериментов 192 высокоэнергетических лазера направляются к цели размером с горошину перца, нагревая капсулу дейтерия и трития до более чем 3 миллионов градусов по Цельсию и кратко имитируя условия звезды», — сказал Хруби.
Основной задачей Национальной лаборатории является изучение ядерной энергии для использования в национальной обороне, и это исследование ядерного синтеза является частью усилий, начатых в 1996 тогдашним президентом Клинтоном, чтобы сохранить уверенность в безопасности запасов ядерного оружия без полномасштабных ядерных испытаний.
Но это открытие имеет огромное значение и для чистой энергетики. В дополнение к работе по обеспечению национальной безопасности «мы предприняли первые пробные шаги к источнику чистой энергии, который может произвести революцию в мире», — сказал Хруби.
Несмотря на то, что этот научный прорыв празднуется на самом высоком правительственном уровне, пройдет много лет, прежде чем термоядерные электростанции смогут производить чистую обильную энергию.
«Это одна запальная капсула, один раз. И чтобы получить коммерческую энергию термоядерного синтеза, вы должны делать много вещей. Об этом сообщила лаборатория Лоуренса в Ливерморе.
«Для этого нужна надежная система драйверов. Так что, знаете, наверное, десятилетия. Не шесть десятилетий, я не думаю. Не пять десятилетий, как мы привыкли говорить. на передний план и, вероятно, при согласованных усилиях и инвестициях, несколько десятилетий исследований базовых технологий могли бы дать нам возможность построить электростанцию».
Омар А. Харрикейн, главный научный сотрудник программы термоядерного синтеза с инерционным удержанием в Ливерморской лаборатории Лоуренса, пояснил: «То, что остается сделать, — это в основном инженерные работы, повышение энергоэффективности лазера и увеличение прироста энергии цели с дальнейшей оптимизацией цели. »
Hurricane добавил: «Этот новый результат действительно приближает коммерческий термоядерный синтез, поскольку он демонстрирует отсутствие фундаментальных физических препятствий. Начинает ощущаться, что мы вступаем в «эру термоядерного синтеза».0003
Один шаг вперед в «Эпоху термоядерного синтеза»
Интерес к термоядерному синтезу резко возрос в последние годы, поскольку обеспокоенность по поводу изменения климата и энергетической безопасности стала более острой.
В настоящее время в Соединенных Штатах работает более 90 ядерных энергетических реакторов, но в этих ядерных реакторах используется ядерное деление, когда нейтрон врезается в более крупный атом, заставляя его разделяться на два меньших атома и высвобождая много энергии. По данным Министерства энергетики США, реакции ядерного деления не выделяют никаких выбросов углекислого газа и поэтому считаются чистой энергией.
По данным Управления энергетической информации США, в 2021 году Соединенные Штаты получили примерно 19 процентов электроэнергии, вырабатываемой коммунальными предприятиями, на этих атомных электростанциях, а энергия ядерных реакторов представляет собой половину чистой энергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах. , по данным Министерства энергетики.
Однако эти реакторы производят долгоживущие ядерные радиоактивные отходы, и в большинстве стран, включая Соединенные Штаты, в настоящее время нет мест долговременного хранения этих отходов. Попытки построить постоянное подземное геологическое хранилище для ядерных отходов до сих пор зашли в тупик в Соединенных Штатах.
Синтез происходит, когда два атома сталкиваются друг с другом, образуя более тяжелый атом, высвобождая огромное количество энергии без выбросов двуокиси углерода или долгоживущих ядерных отходов. Но оказалось, что поддерживать термоядерную реакцию здесь, на Земле, чрезвычайно сложно, и ученые пытались это сделать десятилетиями. В частности, требуется огромное количество энергии для создания синтеза в реакциях, и до этого эксперимента никто не продемонстрировал способность получать из реакции больше энергии, чем требуется для ее питания.
«Ученые изо всех сил пытались показать, что термоядерный синтез может высвободить больше энергии, чем вложено, с 1950-х годов», — сказал CNBC физик плазмы Артур Таррелл.
«В течение этих десятилетий каждый раз, когда кто-то просил о финансировании развития термоядерной энергетики, ответ всегда был: «Во-первых, вы должны показать, что это работает в принципе», — сказал Таррелл, который также является автором книги «Звездные строители». . «То есть вы должны показать, что термоядерный эксперимент может производить больше энергии, чем потребляет. Исследователи из Лоуренса Ливермора сделали это впервые».
Fusion уже является горячей областью для инвесторов в области климата и энергетики — по данным Fusion Industry Association, инвесторы вложили почти 5 миллиардов долларов в частные стартапы в области термоядерной энергетики, и более половины этой суммы было сделано со второй квартал 2021 года.
«Все участники сообщества лазерного синтеза (или термоядерного синтеза с инерционным удержанием) были сосредоточены на получении большего количества энергии, чем на входе, в одном эксперименте, потому что это ключ к доказательству принципа и открытию дальнейших инвестиций. и интерес», — сказал Таррелл CNBC.
Действительно, частная термоядерная промышленность считает это победой.
«Теперь термоядерная промышленность, финансируемая из частных источников, сделает следующие шаги, превратив подобные экспериментальные результаты в жизнеспособный источник чистой и безопасной энергии», — сказал Холланд CNBC. «Короче говоря, это покажет миру, что термоядерный синтез — это не научная фантастика: вскоре он станет жизнеспособным источником энергии. Конечно, между этими экспериментальными результатами и термоядерными электростанциями еще много шагов, но это важная веха, которая приближает приблизит нас к тому дню, когда термоядерный синтез обеспечит мир чистой, безопасной и обильной энергией».
смотреть сейчас
Ученые совершили прорыв в ядерном синтезе. Вот что это значит.
Рекорд термоядерного синтеза был установлен в Национальном центре воспламенения в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии, который зажигает термоядерное топливо с помощью массива из 192 лазеров. Эти лазеры достигают высоких энергий отчасти благодаря устройствам, называемым предусилителями (см. здесь).
Фотография Дэмиена Джемисона, Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Вот уже более 60 лет ученые решают одну из самых сложных задач физики, когда-либо поставленных перед собой: использовать ядерный синтез, источник энергии звезд, для производства изобилия чистой энергии здесь, на Земле. Сегодня исследователи объявили о важной вехе в этих усилиях. Впервые термоядерный реактор произвел больше энергии, чем было использовано для запуска реакции.
5 декабря группа лазеров в Национальном центре зажигания (NIF), входящем в Ливерморскую национальную лабораторию Лоуренса в Калифорнии, выпустила энергию мощностью 2,05 мегаджоуля в крошечный цилиндр, содержащий гранулы замороженного дейтерия и трития, более тяжелые формы водород. Шарик сжался и создал температуру и давление, достаточно интенсивные, чтобы заставить водород внутри него расплавиться. В крошечном пламени, продолжавшемся менее одной миллиардной доли секунды, слившиеся атомные ядра высвободили 3,15 мегаджоуля энергии — примерно на 50 процентов больше, чем было использовано для нагрева шарика.
Хотя пожар закончился в одно мгновение, его значение останется прежним. Исследователи термоядерного синтеза давно стремились достичь чистого прироста энергии, что называется научной безубыточностью. «Проще говоря, это один из самых впечатляющих научных достижений 21 века», — заявила министр энергетики США Дженнифер Гранхольм на брифинге для СМИ в Вашингтоне, округ Колумбия.
Достигнув научной безубыточности, NIF продемонстрировал, что может достичь «воспламенения»: состояния вещества, которое может легко поддерживать реакцию синтеза. Возможность подробного изучения условий воспламенения «изменит правила игры во всей области термоядерного синтеза», — говорит Йохан Френье, плазмофизик из Массачусетского технологического института, чья лаборатория способствовала рекордному запуску NIF.
На иллюстрации этого художника показана мишень NIF внутри капсулы с лазерными лучами, проникающими через отверстия на обоих концах. Лучи сжимают и нагревают цель до необходимых условий для ядерного синтеза.
Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Достижение не означает, что термоядерный синтез теперь является жизнеспособным источником энергии. Хотя реакция NIF произвела больше энергии, чем реактор, используемый для нагрева атомных ядер, она не произвела больше, чем общее потребление энергии реактором. По словам Кима Будила, директора Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, лазерам требовалось 300 мегаджоулей энергии для производства энергии луча мощностью около 2 мегаджоулей. «Я не хочу, чтобы у вас сложилось впечатление, что мы собираемся подключить NIF к сети — так это не работает», — добавил Будил. «Это фундаментальный строительный блок».
Несмотря на это, после десятилетий попыток ученые сделали важный шаг к термоядерной энергии. «Это выглядит как научная фантастика, но они это сделали, и то, что они сделали, просто фантастика», — говорит Амброджо Фазоли, физик-ядерщик из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне.
Искровое зажигание термоядерного синтеза
Хотя ядерный синтез и деление ядер потребляют энергию атома, они работают по-разному. Современные атомные электростанции полагаются на ядерное деление, которое высвобождает энергию, когда большие тяжелые атомы, такие как уран, распадаются из-за радиоактивного распада. Однако при синтезе маленькие легкие атомы, такие как водород, сливаются в более крупные. При этом они выделяют небольшую часть своей объединенной массы в виде энергии.
В лабораториях для превращения ядер водорода в гелий требуется создание и удержание «плазмы» — электрически заряженного газа, в котором электроны больше не связаны с атомными ядрами — при температуре в несколько раз выше, чем внутри Солнца. Десятилетия назад ученые научились запускать этот процесс во взрыве внутри водородных бомб, а современные термоядерные реакторы могут управлять этим процессом в течение мимолетных мгновений.
С конца 1950-х и начала 1960-х годов у термоядерных реакторов была одна и та же основная цель: создать максимально горячую и плотную плазму, а затем удерживать этот материал достаточно долго, чтобы ядра внутри него достигли воспламенения. Проблема в том, что плазма неуправляема: она электрически заряжена, а это значит, что она одновременно реагирует на магнитные поля и генерирует свои собственные при движении. Чтобы поддерживать термоядерный синтез, он должен достигать поистине ошеломляющих температур. Тем не менее, он настолько рассеян, что легко остывает.
Физик Риккардо Бетти, эксперт по лазерному ядерному синтезу из Университета Рочестера, сравнивает проблему воспламенения термоядерного синтеза со сжиганием бензина в двигателе. Небольшое количество бензина смешивается с воздухом и воспламеняется от искры. Искра не большая, но она и не должна быть такой: все, что от нее требуется, — воспламенить небольшую часть бензино-воздушной смеси. Если эта крошечная часть воспламеняется, высвобождаемой энергии достаточно, чтобы воспламенить остальную часть топлива.
С точки зрения выделяемой энергии ядерные реакции дают примерно в миллион раз больше энергии, чем химические реакции, и их гораздо труднее запустить. Прошлые эксперименты по термоядерному синтезу, возможно, позволили достичь нужных температур, или правильных давлений, или правильных времен удержания плазмы для воспламенения, но не всех этих факторов одновременно. «По сути, искра возникла, но недостаточно сильна, — говорит Бетти.
Топливная таблетка
Метод зажигания ядерного топлива в NIF начинается с гранул размером с перчинку, которые содержат замороженную смесь дейтерия и трития, двух более тяжелых изотопов водорода. Эта капсула помещается в золотой цилиндр размером примерно с ластик для карандашей, называемый хольраум, который затем закрепляется на руке в центре большой камеры с лазерным напылением.
Чтобы вызвать слияние, НИФ одновременно запускает 192 лазера в хольраум, которые направляются в него через два отверстия. Затем лучи ударяются о внутреннюю поверхность хольраума, из-за чего он выбрасывает высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые быстро нагревают внешние слои капсулы, заставляя их сгорать и вылетать наружу. Внутренняя часть этой капсулы быстро сжимается почти в сто раз плотнее свинца, что заставляет дейтерий и тритий внутри достигать температуры и давления, необходимых для синтеза.
В 1997 году Национальная академия наук определила, что будет означать «возгорание» для установки, которая в том же году открыла новые возможности: когда высвобождаемая термоядерная энергия превышает энергию лазеров. Установка открылась в 2009 году, и достижение этого порога закончилось. занимает более десяти лет. В августе 2021 года NIF сообщил о своем лучшем экспериментальном прогоне на тот момент: 1,32 мегаджоуля высвобожденной термоядерной энергии на 1,92 мегаджоуля введенной лазерной энергии.
Прогон 2021 года показал, что воспламенение может быть достигнуто в реакторе NIF. Чтобы, наконец, преодолеть порог, исследователи NIF внесли несколько незначительных изменений, включая работу на несколько более высоких энергиях лазера. «Любые небольшие изменения, если вы сделаете их правильно, окажут существенное влияние на результат», — говорит Френье.
Мечта о термоядерной электростанции
Несмотря на весь успех NIF, коммерциализировать этот тип термоядерного реактора будет непросто. Бетти, физик из Рочестерского университета, говорит, что такой реактор должен будет генерировать в 50-100 раз больше энергии, чем излучают его лазеры, чтобы покрыть собственное потребление энергии и передать энергию в сеть. Он также должен был бы испарять 10 капсул в секунду каждую секунду в течение длительных периодов времени. В настоящее время топливные капсулы чрезвычайно дороги в производстве, и они основаны на тритии, короткоживущем радиоактивном изотопе водорода, который будущие реакторы должны будут производить на месте.
Но большинство из этих проблем не уникальны для NIF, и многие термоядерные лаборатории и компании мира пытаются их решить. В прошлом году экспериментальный реактор Joint European Torus (JET) в Калхэме, Англия, установил рекорд по наибольшей энергии синтеза, когда-либо высвобождаемой во время одного экспериментального запуска. Строительство преемника JET — огромного международного эксперимента, известного как ITER, — ведется во Франции. А частные компании в Соединенных Штатах и Великобритании создали сверхпроводящие магниты нового поколения, которые могут помочь в создании меньших по размеру и более мощных реакторов.
Трудно сказать, когда эта работа приведет к новому энергетическому будущему и вообще даст ли он это. Но исследователи термоядерного синтеза рассматривают эту технологию как невероятный инструмент для человечества, когда бы она ни была готова — будь то через 20, 50 или 100 лет.
«Когда говорят, что синтез очень сложен, это правда, но когда люди говорят, что синтез слишком сложен, это не так», — говорит Фазоли. «Мы умеем делать сложные вещи… Полет на Луну — это не просто. Добиться такого результата при слиянии не просто. И мы продемонстрировали, что можем это сделать».
Читать дальше
Почему этот человек создает доспехи для кошек и мышей?
- История и культура
Почему этот человек создает доспехи для кошек и мышей?
Художник Джефф де Бур десятилетиями проектировал и изготавливал крошечные доспехи музейного качества. Как он нашел свое призвание? «Все началось с мыши, — говорит он.
Чтобы увидеть неуловимую дикую природу Малайзии, прогуляйтесь среди деревьев
- Путешествуйте
Чтобы увидеть неуловимую дикую природу Малайзии, прогуляйтесь среди деревьев
Стальные конструкции и качающиеся мосты, построенные высоко над тропическим лесом, позволяют туристам ненавязчиво наблюдать за местными тапирами, тиграми и печально известными пугливыми приматами.