Содержание
Рукотворное солнце. Объясняем эпохальную термоядерную реакцию максимально понятным языком
- Николай Воронин
- Корреспондент по вопросам науки
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,
Научная мысль сильно опережает существующие на сегодняшний день технологии, но и они не стоят на месте, так что у экспертов нет сомнений: появление термоядерных электростанций — лишь вопрос времени
Американские ученые объявили о принципиально важном — в некотором смысле даже эпохальном — событии на пути к созданию термоядерных электростанций. Впервые в истории физикам удалось провести контролируемую термоядерную реакцию, получив на выходе больше энергии, чем было потрачено на то, чтобы эту реакцию запустить.
Чтобы оценить масштаб достижения, достаточно сказать, что над решением этой задачи на протяжении последних семи десятилетий ломали головы самые гениальные физики мира, включая полдюжины нобелевских лауреатов.
Первое экспериментальное подтверждение теоретических расчетов более чем полувековой давности в лабораторных условиях — событие и правда историческое. И все же на пути к заветной цели — мечте ученых о бесконечном источнике чистой энергии — это всего лишь очередной шаг, пусть и принципиально важный.
Русская служба Би-би-си простым языком объясняет, что такое термоядерная реакция и почему новость об успешном проведении эксперимента в США наделала столько шума — не только в научном мире, но и далеко за его пределами.А также ищет ответ на главный вопрос: когда же, наконец, сказочная перспектива использования термоядерных электростанций перестанет быть перспективой и станет реальностью.
Что вообще такое термоядерная реакция?
Если совсем просто, термоядерный синтез — это процесс слияния двух атомов.
Только не присоединение их друг к другу (как два атома водорода образуют молекулу Н2), а именно слияние их в единое целое.
То есть превращение одного химического элемента в другой, более тяжелый. Два атома все того же водорода, например, сольются в атом гелия — с выделением значительного количества энергии.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,
При слиянии атомов в единое целое часть их вещества преобразуется в чистую энергию — согласно знаменитой формуле Эйнштейна: E=mc2.
Чтобы такая реакция стала возможной, необходима огромная температура (она фактически отрывает от атомов электроны, обнажая их ядра) и чудовищное давление, которое буквально вдавливает эти ядра друг в друга.
Именно это происходит в недрах звезд, и именно колоссальная энергия термоядерного синтеза поддерживает жар на Солнце, позволяя ему освещать и обогревать нашу планету.
Если бы то же самое можно было повторить здесь, на Земле, тогда человечество получило бы доступ к совершенно новому, практически неограниченному источнику энергии.
- «Спутник, водка, токамак». Во Франции начали строить искусственное солнце
Более того, как в один голос уверяют эксперты, произведенная путем термоядерного синтеза энергия будет не только дешевой, но и экологически чистой.
Топливо для электростанций можно будет черпать прямо из Мирового океана — там его предостаточно. При этом в процессе реакции не выделяется никаких парниковых газов, а на выходе не остается никаких радиоактивных отходов. Мечта да и только.
Но как такое возможно на Земле?
В теории создать необходимые условия на нашей планете вполне возможно. Именно термоядерный синтез положен в основу действия водородной бомбы, питая ее практически неограниченную разрушительную силу.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,
Для проведения управляемой термоядерной реакции на Земле, в лаборатории необходимо зажечь искусственное солнце — причем куда жарче Солнца настоящего: максимальная температура солнечного ядра достигает 15 млн градусов, в лабораторных условиях плазму разогревают до 100 млн и даже выше
Только там для создания необходимых для термоядерной реакции давления и температуры используется энергия «обычного» ядерного взрыва.
А уже он, в свою очередь, запускает процесс неконтролируемого термоядерного синтеза, высвобождая энергию, способную за считанные секунды уничтожить всю нашу планету.
Чтобы использовать эту энергию в мирных целях, ее нужно каким-то образом собрать, а для начала — хотя бы просто удержать в каком-то ограниченном пространстве.
Но как это сделать, если температура, запускающая процессы термоядерного синтеза, измеряется миллионами градусов? Чем удержать раскаленную плазму, одно прикосновение которой способно даже не расплавить, а мгновенно испарить любое вещество?
- Ручное солнце. Когда термоядерные реакторы станут реальностью
Первыми ответ на этот вопрос предложили в 1950-е годы советские физики: можно запереть плазму в ловушке, «подвесив» ее в вакууме при помощи магнитов — так, что ни с чем соприкасаться она не будет. Так родилась идея токамака — тороидальной камеры с магнитными катушками.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,
Слово «тороидальная» означает «в виде тора», то есть камера имеет форму бублика, полого внутри: именно такой токамак строит сейчас на юге Франции международный консорциум из 35 стран
А спустя еще несколько лет американские ученые предложили и второй вариант — импульсный, когда реакцию термоядерного синтеза запускают внутри небольшой капсулы с топливом (все тем же водородом), резко сжимая ее при помощи бьющих со всех сторон мощных лазерных лучей.
Именно на импульсной установке и был проведен эксперимент в Ливерморской лаборатории.
Что же в этом сложного?
Примерно всё. Относительно простой термоядерная реакция выглядит только на бумаге. В реальности же она куда сложнее ракетного запуска.
Попробуйте сжать в кулаке воздушный шар. Находящийся внутри газ обязательно устремится туда, где давление чуть ниже и «вылезет пузом» между пальцами.
Ровно то же самое происходит и с топливной капсулой, которую для проведения реакции необходимо сферически сжимать сразу со всех сторон, с абсолютно одинаковой силой.
Ученые Ливерморской лаборатории добились этого при помощи 192 мощнейших лазеров, которые для этого пришлось не только идеально выстроить в пространстве, но и точно синхронизировать по времени.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,
Этим рисунком художник пытался передать сам принцип работы импульсной камеры, поэтому и лазеров на ней куда меньше, чем в реальности
«Если хоть один луч будет выбиваться из общего ряда, сферическим сжатие не получится, — объясняет Би-би-си глава российского агентства ИТЭР Анатолий Красильников. — Капсула поедет вправо или влево, у нее вырастет «пузо» в какую-нибудь сторону — и в результате термоядерных параметров [топливо] не достигнет. А американцам сделать это удалось».
Построенная специально для этой цели установка представляет собой 12-этажный дом площадью в три футбольных поля.
А на полную зарядку лазеров уходит почти неделя.
Так чего именно добились американцы?
Строго говоря, сам факт успешного создания условий для проведения термоядерного синтеза — не то чтобы новость. Ученые из Института физики плазмы при Академии наук КНР еще несколько лет назад научились разогревать плазму в токамаке до 120 млн градусов и удерживать ее в таком состоянии целых 17 минут — а это условия более чем достаточные.
В американском эксперименте принципиальна именно «добавочная стоимость» реакции.
Впервые в истории ученым удалось «выйти в плюс»: получить на выходе больше энергии, чем ушло на запуск реакции. Этакий «вечный двигатель на стероидах».
Автор фото, Reuters
Подпись к фото,
На то, чтобы зарядить лазеры для одного-единственного «выстрела», уходит целая неделя
Если оперировать точными цифрами, суммарная мощность лазерного излучения составила около 2 МДж, а на выходе — в результате термоядерного синтеза — получили 3 МДж, то есть в полтора раза больше.
Тут, впрочем, нужно сделать важную оговорку. Речь идет лишь об энергии, непосредственно поглощенной капсулой.
В общей же сложности, на зарядку 192 мощнейших лазерных излучателей и работу установки в целом ушло около 477 МДж. А в таком случае ни о каком «плюсе» говорить не приходится: КПД реакции едва превышает жалкие полпроцента.
Так когда уже начнут строить термоядерные электростанции?
Объявляя миру об эпохальном эксперименте, министр энергетики США Дженнифер Грэм во всеуслышание назвала его «одним из самых впечатляющих триумфов науки XXI века».
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,
По словам Дженнифер Грэм, эксперимент знаменует собой переход мировой энергетики в новую эру
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
В то время как, строго говоря, как раз с точки зрения науки его вряд ли можно считать каким-то прорывом.
«Никакого научного прорыва тут нет, — подтверждает Красильников. — В конце концов, установка специально была спланирована для того, чтобы именно такой результат получить. Но здесь, конечно, несомненно огромное инженерное достижение».
С инженерной точки зрения технологию действительно можно считать прорывной. Однако путь к светлому (а также теплому и экологически чистому) термоядерному будущему долог и тернист.
От полноценно работающего, рентабельного термоядерного реактора промышленного масштаба нас отделяет еще по меньшей мере лет десять.
Незадача в том, что примерно такой же — десятилетний — прогноз давали ученые еще в Советском Союзе. А воз не то чтобы «и ныне там», но все же еще достаточно далек от финиша, чтобы делать по этому поводу хоть сколько-нибудь точные предсказания.
Строящийся сейчас во Франции ИТЭР заработает только к концу текущего десятилетия — но и его задача не производство энергии, а дальнейшее изучение физики процесса. Необходимо как минимум удостовериться, что энергию термоядерного синтеза можно как-то собрать для дальнейшего использования — и придумать способ это сделать.
По словам Анатолия Красильникова, реалистично появления полноценно работающей термоядерной электростанции стоит ожидать не раньше 2050-х годов.
Наука: Наука и техника: Lenta.ru
В Ливерморской лаборатории впервые осуществили инерциальное термоядерное воспламенение
Фото: Corbis / Getty Images
Министерство энергетики США объявило о достижении безубыточного термоядерного воспламенения в Ливерморской национальной лаборатории (LNLL). В ходе эксперимента, проведенного 5 декабря 2022 года, была впервые запущена управляемая реакция синтеза, которая генерировала в полтора раза больше энергии, чем было на нее потрачено. Об этом сообщается в пресс-релизе, опубликованном на сайте научной организации; подробно о научном прорыве рассказывает издание Nature.
Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF). Реакцию запускали с помощью 192 лазеров, которые нагревали хольраумы — небольшие золотые цилиндры, внутри которых находится капсула со смесью изотопов водорода, трития и дейтерия. Лазеры подали 2,05 мегаджоуля энергии на внутреннюю стенку цилиндра, которая переизлучала ее в виде теплового рентгеновского излучения, вызвавшего взрыв внешней оболочки капсулы, направленный внутрь.
В 1960-х годах группа ученых из LLNL выдвинула гипотезу о том, что лазеры можно использовать для индукции термоядерного синтеза в лабораторных условиях. Эта революционная идея привела к появлению термоядерного синтеза с инерционным удержанием топлива, положив начало более чем 60-летним исследованиям и разработкам. В конце концов был создан комплекс NIF размером со спортивный стадион, где лазеры используются для создания температур и давлений, подобных тем, что возникают в ядрах звезд и планет-гигантов, а также внутри ядерных взрывов
Ударные волны от взрыва заставляют дейтериево-тритиевое топливо сжиматься до давления в сотни гигабар, что создает в его центре горячую точку с температурой около 10 миллионов кельвинов.
В таких условиях экстремальная температура, сравнимая с температурой звезд, приводит к тому, что изотопы водорода начинают сливаться с образованием ядер гелия, высвобождая дополнительную энергию и создавая каскад термоядерных реакций. Термоядерные реакции синтеза производят альфа-частицы, энергия которых нагревает все остальное топливо.
3,15 мегаджоуля
было высвобождено в результате термоядерной реакции синтеза
Ученые показали, что в результате реакции было высвобождено около 3,15 мегаджоуля энергии, что более чем вдвое превышает предыдущий рекорд в 1,3 мегаджоуля. Исследователи классифицирует ее как воспламенение (англ. Ignition) — самоподдерживающую реакцию термоядерного синтеза, при которой выделяется больше энергии, чем тратится на ее поддержание. Чтобы добиться безубыточной реакции синтеза, физики внесли изменения в ход эксперимента, основываясь на результатах предыдущих исследований. Они увеличились мощность лазеров примерно на восемь процентов, а также изготовили мишень с меньшим количеством дефектов и отрегулировали способ подачи энергии, чтобы взрыв внутрь был более сферическим.
До коммерческого получения термоядерной энергии еще далеко
Пока что о коммерческом получении термоядерной энергии речь не идет. Дело в том, что воспламенение не компенсирует всю энергию, потраченную на работу лазеров — около 322 мегаджоулей, — а только ту, что была потрачена непосредственно на нагрев мишени. Таким образом, NIF не является установкой для эффективного производства энергии, а служит лишь для экспериментального доказательства самой возможности воспламенения. Многие специалисты сомневаются, что сам подход с использованием лазеров может стать основой для получения термоядерной энергии из-за множества сложных технических проблем.
В NIF используется инерциальный управляемый термоядерный синтез (ICF), когда реакция инициируется путем теплового сжатия мишеней размером с булавочную головку с помощью лазеров. Однако чтобы доказать, что тип синтеза, проводимый в NIF, может быть жизнеспособным методом производства энергии, эффективность выхода — высвобождаемая энергия по сравнению с энергией, которая идет на создание лазерных импульсов — должна вырасти в 100 и более раз.
Этот результат все еще далек от фактического прироста энергии, необходимого для производства электроэнергии
Тони Роулстоун, эксперт в области термоядерного синтеза из Кембриджского университета
Теоретически проблемы, связанные с низкой эффективностью лазерного нагрева, могут быть решены путем повышения скорости испускания импульсов и быстрого отвода тепла и мусора из камеры для запуска следующей мишени. Также могут быть использованы новые конструкции, где подачу энергию осуществляют лазерные диоды, производящие энергию в диапазоне частот, которые сильно поглощаются стенками хольраумов. Однако при этом остаются такие факторы, влияющие на экономическую целесообразность, как стоимость топлива и мишеней.
Ливерморская национальная лаборатория обошла ITER
Наряду c ICF существует еще один способ проведения термоядерного синтеза, называемый магнитным удержанием плазмы. Он проводится в токамаках — тороидальных установках, где нагретая до экстремальных температур плазма удерживается с помощью мощных магнитных полей.
Первый в истории экспериментальный термоядерный реактор ITER на базе токамаков строится на юго-востоке Франции в регионе Прованс — Альпы — Лазурный Берег. Масштабный проект начал разрабатываться с середины 1980-х годов, а завершить грандиозную стройку планируется в 2025 году.
Также как и в инерциальном термоядерном синтезе, в основе работы реактора ITER будет лежать термоядерная реакция слияния изотопов водорода, дейтерия и трития с образованием гелия и высокоэнергетического нейтрона. Для этого дейтерий-тритиевая смесь должна быть нагрета до температуры более 100 миллионов градусов, что в пять раз превышает температуру Солнца. Планируется, что эксперименты по нагреву плазмы для запуска энергоэффективных термоядерных реакций начнутся только в 2035 году. В то же время инженерные задачи и проблемы, с которыми специалисты сталкиваются при строительстве ITER, отличаются от тех, что возникают в ICF. Одной из них является, например, предотвращение контакта высокотемпературной плазмы со стенками установки.
Основы термоядерной физики | IAEA
Характерной чертой звезд, таких как наше Солнце, является то, что их гравитация удерживает присутствующие на них ядра настолько близкими и горячими, что запускается процесс синтеза, производящий огромное количество энергии. На Земле потенциальные преимущества энергии с помощью управляемого ядерного синтеза многообразны:
- Безграничное производство энергии, доступное во всем мире, не зависящее от местных или сезонных колебаний;
- Нет выбросов парниковых газов;
- Отсутствие аварий, таких как плавление или взрыв, благодаря искробезопасному физическому процессу;
- Отсутствие производства радиоактивных отходов с длительным периодом полураспада; и
- Отсутствует или имеет лишь умеренный риск распространения.
Энергия, полученная в результате реакций синтеза и деления, основана на различиях в энергии связи ядер. Масса продуктов реакции синтеза меньше массы ее реагентов. Разница или «недостающая масса» преобразуется в энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна E=mc².
Поскольку с очень велико, небольшое количество недостающей массы превращается в большое количество энергии.
Основными видами топлива, используемыми в устройствах ядерного синтеза, являются дейтерий и тритий, тяжелые изотопы водорода. Реакция Дейтерий (D) – Тритий (T) имеет самое большое поперечное сечение (другими словами, вероятность протекания реакции), а также самое большое значение добротности (выделяемой энергии реакции) из всех разновидностей термоядерного синтеза. реакции. Он производит альфа-частицу (или ядро гелия-4) и нейтрон и высвобождает 17,6 мегаэлектрон-вольт (МэВ) энергии в виде кинетической энергии продуктов (3,5 МэВ для альфа-частицы и 14,1 МэВ для нейтрона).
Для управляемого термоядерного синтеза необходимы три основных условия:
- Температура должна быть достаточно высокой, чтобы ионы дейтерия и трития имели достаточную кинетическую энергию для преодоления кулоновского барьера и слияния.
- Ионы должны удерживаться с высокой плотностью ионов для достижения подходящей скорости реакции синтеза.
- Ионы должны удерживаться вместе в непосредственной близости при высокой температуре с достаточно длительным временем удержания, чтобы избежать охлаждения.
В настоящее время существует два основных подхода к исследованию энергии синтеза:
- Термоядерный синтез с магнитным удержанием
Синтез с магнитным удержанием основан на том факте, что ионы и электроны не могут легко перемещаться через магнитное поле. Поэтому горячая плазма может удерживаться сильными магнитными полями.
- Термоядерный синтез с инерционным удержанием
Этот подход основан на максимальном увеличении плотности за счет быстрого сжатия и нагрева небольшой твердой гранулы DT с помощью лазеров или пучков частиц.
Из-за чрезвычайно высоких температур (T ~ 10 килоэлектронвольт [кэВ]) происходит переход вещества в состояние плазмы. Плазму на самом деле называют «четвертым состоянием вещества» наряду с твердыми телами, жидкостями и газами.
Он состоит из полностью ионизированного или частично ионизированного газа, содержащего ионы, электроны и нейтральные атомы. В настоящее время термоядерный синтез является основным направлением исследований в физике плазмы.
ученых США достигли долгожданного прорыва в области термоядерного синтеза, сообщает источник
Си-Эн-Эн
—
Впервые в истории американские ученые из Национальной установки по воспламенению в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии успешно провели реакцию ядерного синтеза, что привело к чистому приросту энергии, подтвердил CNN источник, знакомый с проектом.
Ожидается, что Министерство энергетики США официально объявит о прорыве во вторник.
Результат эксперимента станет огромным шагом в многолетнем стремлении высвободить бесконечный источник чистой энергии, который мог бы помочь покончить с зависимостью от ископаемого топлива. Исследователи на протяжении десятилетий пытались воссоздать ядерный синтез, воспроизведя синтез, питающий Солнце.
Министр энергетики США Дженнифер Грэнхольм во вторник сделает заявление о «крупном научном прорыве», сообщило министерство в воскресенье. О прорыве впервые сообщила Financial Times.
Ядерный синтез происходит, когда два или более атома сливаются в один больший, процесс, который генерирует огромное количество энергии в виде тепла.
В отличие от ядерного деления, которое вырабатывает электричество во всем мире, оно не производит долгоживущих радиоактивных отходов.
Ученые всего мира медленно приближаются к прорыву, используя разные методы, пытаясь достичь одной и той же цели.
Закрытые фотографии судов – май 2011 г.
Christopher Roux (CEA-IRFM)/EUROfusion
Гигантская машина в форме пончика только что доказала, что практически безграничный чистый источник энергии возможен
Проект National Ignition Facility создает энергию ядерного синтеза с помощью так называемого «термоядерного инерционного синтеза».
На практике американские ученые стреляют гранулами, содержащими водородное топливо, в массив из почти 200 лазеров, по существу создавая серию чрезвычайно быстрых повторяющихся взрывов со скоростью 50 раз в секунду.
Энергия, полученная от нейтронов и альфа-частиц, извлекается в виде тепла, и это тепло является ключом к производству энергии.
«Они сдерживают реакцию термоядерного синтеза, бомбардируя снаружи лазерами», — сказал CNN Тони Роулстоун, эксперт по термоядерному синтезу с инженерного факультета Кембриджского университета. «Они нагревают снаружи; это создает ударную волну».
cnn.com/_components/paragraph/instances/paragraph_CED9C997-182D-F8F6-E0BA-07697CAAC888@published» data-editable=»text» data-component-name=»paragraph»>Несмотря на то, что получение чистого прироста энергии от ядерного синтеза имеет большое значение, это происходит в гораздо меньших масштабах, чем то, что необходимо для питания электрических сетей и обогрева зданий.
«Это примерно то, что нужно, чтобы вскипятить 10 чайников воды», — сказал Джереми Читтенден, содиректор Центра исследований инерционного синтеза в Имперском колледже в Лондоне. «Чтобы превратить это в электростанцию, нам нужно получить больший прирост энергии — нам нужно, чтобы она была существенно больше».
Модель реактора будущего ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Коули говорит, что эксперименты в ITER имеют решающее значение.
Они предназначены для достижения самоподдерживающегося термоядерного горения — последнего научного препятствия на пути к термоядерной энергии, говорит он.
ЖЕРАР ЖУЛЬЕН/AFP/Getty Images/файл
Искусственное солнце ненадолго осветило английскую сельскую местность. Однажды это может изменить все
В Великобритании ученые работают с огромной машиной в форме пончика, оснащенной гигантскими магнитами, называемой токамак, чтобы попытаться получить тот же результат.
После того, как в токамак впрыскивается небольшое количество топлива, активируются гигантские магниты для создания плазмы. Плазма должна достичь температуры не менее 150 миллионов градусов по Цельсию, что в 10 раз горячее ядра Солнца.
Это заставляет частицы топлива сливаться в одно целое. При ядерном синтезе продукт синтеза имеет меньшую массу, чем исходные атомы. Недостающая масса преобразуется в огромное количество энергии.
Нейтроны, которые могут покинуть плазму, ударяются о «одеяло», выстилающее стенки токамака, и их кинетическая энергия передается в виде тепла. Затем это тепло можно использовать для нагрева воды, создания пара и силовых турбин для выработки электроэнергии.
В прошлом году ученые, работающие недалеко от Оксфорда, смогли выработать рекордное количество устойчивой энергии. Тем не менее, это длилось всего 5 секунд.
cms.cnn.com/_components/paragraph/instances/paragraph_98BB1BA8-C5BE-4E28-8585-076B2AD70934@published» data-editable=»text» data-component-name=»paragraph»>Будь то использование магнитов или стрельба шариками с помощью лазера, результат в конечном итоге один и тот же: тепло, выделяемое в процессе слияния атомов, является ключом к производству энергии.
Целевая камера NIF — это место, где происходит волшебство — там создаются температуры в 100 миллионов градусов и давление, достаточное для того, чтобы сжать цель до плотности, в 100 раз превышающей плотность свинца.
Дэмиен Джемисон/LLNL
Серьезная проблема использования термоядерной энергии заключается в том, чтобы поддерживать ее достаточно долго, чтобы она могла питать электрические сети и системы отопления по всему миру.
cms.cnn.com/_components/paragraph/instances/paragraph_BB207E61-28C7-8047-A9AA-076D3A107B72@published» data-editable=»text» data-component-name=»paragraph»>Читтенден и Роулстоун заявили CNN, что ученые всего мира теперь должны работать над тем, чтобы резко увеличить масштабы своих термоядерных проектов, а также снизить стоимость. Чтобы сделать его коммерчески жизнеспособным, потребуются годы дополнительных исследований.
«В настоящее время мы тратим огромное количество времени и денег на каждый эксперимент, который мы проводим», — сказал Читтенден. «Нам нужно значительно снизить стоимость».
Однако Читтенден назвал эту новую главу в ядерном синтезе «настоящим прорывным моментом, который чрезвычайно захватывающий».