Содержание
Термоядерная энергетика: большой шаг вперед
Научная группа СбПУ во главе с профессором Высшей школы фундаментальных физических исследований Физико-механического института (ФизМех) Владимиром Рожанским принимает участие в создании крупнейшего в мире Международного экспериментального термоядерного реактора. Если удастся создать термоядерный реактор, человечество получит практически неисчерпаемую «зеленую» энергию.
Общество постепенно начинает осознавать, что ядерная энергетика, основанная на реакциях деления ядер, в будущем не будет столь распространена из-за экологических проблем, связанных с захоронением отходов, возможными авариями и т.д. Также ее коммерческая привлекательность значительно снижается из-за затрат, необходимых для вывода реакторов из эксплуатации. Этих недостатков лишена термоядерная энергетика.
Что такое токамак
Энергетика будущего лежит в области управляемого термоядерного синтеза. Ученые всего мира ищут альтернативный путь получения энергии, и «сердцем» этих экспериментов является установка токамак, внутри которой удается «зажечь» (пока на доли секунды) рукотворное солнце – плазму.
Первопроходческая роль России в исследованиях плазмы бесспорна: именно наши ученые Игорь Тамм и Андрей Сахаров заложили теоретические основы токамака. Токамак – это ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками, то есть установка магнитного удержания плазмы для достижения условий, необходимых для реакции управляемого термоядерного синтеза. При настолько высоких температурах любой газ переходит в состояние плазмы, и плазма в такой ловушке удерживается магнитным полем, которое создается специальными катушками. Токамак нацелен на демонстрацию на начальном этапе производства энергии термоядерного синтеза до 200 МВт и в конечном итоге на достижение уровня мощности в 1 ГВт.
Весной 2021 года в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» создан и запущен термоядерный реактор Токамак Т-15МД – он стал первой за 20 лет новой термоядерной установкой, построенной в России. Токамак в Курчатовском институте не очень крупный. В мире существуют аналогичные установки, в том числе есть другой российский токамак «Глобус-М» в Физико-техническом институте им.
А.Ф. Иоффе. Т-15МД отличается от остальных своим планом исследований. В частности, на этом токамаке будет исследована возможность использования токамака как источника нейтронов (если токамак все время нагревать, то он будет испускать нейтроны). Российские ученые планируют создать гибридный реактор. Это значит, что, если этот токамак станет частью атомной электростанции, и нейтроны удастся направить в ядерный реактор, то это значительно повысит эффективность атомной электростанции. В России подобные исследования проводятся впервые. В разработке токамака Курчатовского центра участвовала научная группа Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого во главе с профессором Высшей школы фундаментальных физических исследований Владимиром Рожанским. Ученые рассчитывали параметры газового инжектора для токамака. В самое последнее время этой же группой проводятся расчеты для проектируемой в России новой установки ТРТ.
И наконец, усилиями ученых со всего мира на юге Франции сейчас строится крупнейший в мире экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР (от англ.
International Thermonuclear Experimental Reactor; ITER). Научная группа профессора Рожанского также принимает непосредственное участие в его создании. Сотрудники высшей школы, аспиранты и даже студенты имеют возможность работать над проектом мирового масштаба. В 2018 году профессор Владимир Рожанский стал членом Консультативного комитета по науке и технологиям ИТЭР.
Реакция термоядерного синтеза
Профессор Рожанский поясняет, что история управляемого термоядерного синтеза связана в значительной степени с проблемой удержания плазмы в магнитном поле. В ней развиваются многочисленные неустойчивости, которые переводят плазму в турбулентное состояние, вызывают уход энергии из объема реактора и падение времени удержания. Более 50 лет понадобилось человечеству на решение этой проблемы. Один из способов – увеличить размеры реактора, поскольку время удержания плазмы растет пропорционально квадрату размеров. Самый большой термоядерный реактор ИТЭР будет иметь радиус около 6 метров.
«На Солнце идет управляемая термоядерная реакция, собственно, поэтому оно и светит. Это реакция синтеза легких ядер, но она может проходить только при очень высоких температурах – порядка 100 миллионов градусов и выше. На Солнце она достигается благодаря тому, что Солнце сжимается и нагревается под действием силы тяжести. В какой-то момент у ученых возникла идея создать искусственное Солнце на Земле. Это как раз то, что понимается под словами “управляемый термоядерный синтез”. В 50-е годы прошлого века в СССР был придуман токамак – тороидальная камера с магнитными катушками, в которой мог быть реализован управляемый термоядерный синтез. При настолько высоких температурах любой газ переходит в состояние плазмы, и плазма в такой ловушке удерживается магнитным полем, которое создается специальными катушками – отсюда и название. Постепенно создание токамаков охватило весь мир. Реакция термоядерного синтеза протекает благодаря дейтерию и тритию. Это изотопы водорода. Дейтерий содержится в воде – и пресной, и соленой.
Что немаловажно, его легко оттуда извлечь. С тритием чуть сложнее – он реже встречается в природе. Ученые нашли выход из этой ситуации: в результате термоядерной реакции выделяются нейтроны, а вокруг реактора установлен бланкет из жидкого лития. Нейтроны, взаимодействуя с литием, дают реакцию, при которой выделяется тритий. Фактически настоящим топливом будет литий. Этих источников будет достаточно для работы токамак-реакторов», – отмечает профессор Владимир Рожанский.
Мы – в ИТЭР
На токамаке ИТЭР впервые должна быть получена управляемая термоядерная реакция с так называемым положительным выходом. Это означает, что энергия, выделяющаяся при реакции, больше или, по крайней мере, равна затратам на нагрев плазмы в реакторе. Необходимо достичь температуры более 100 миллионов градусов! Планируется, что первая плазма на ИТЭР будет получена к концу 2025 года. Для получения к концу этого периода самоподдерживающейся термоядерной реакции потребуется еще 10-15 лет работы реактора.
Научная группа Высшей школы фундаментальных физических исследований СПбПУ уже многие годы занимается решением одной из основных проблем управляемого термоядерного синтеза – взаимодействием горячей термоядерной плазмы с материальными поверхностями установки токамака. Исследователи СПбПУ обнаружили новые эффекты, влияющие на поток энергии в реакторе. Теоретические предсказания подтвердились экспериментами на двух токамаках.
«Одна из основных проблем термоядерного синтеза связана с пристеночной плазмой: каким образом и какие примеси будут поступать в реактор, как будет перераспределяться мощность, которая идет из центральной зоны, и так далее. А точнее, с ее тонким соскабливаемым слоем (scrape-off layer). Понимание того, как устроен этот слой, знание физических процессов помогает прогнозировать плотность потока энергии на поверхности материала. В целом это влияет на возможность проведения управляемого термоядерного синтеза, потому что диверторные пластины реактора должны выдерживать огромные потоки энергии», – считает профессор Владимир Рожанский.
Научная группа исследовала электрические токи, протекающие в соскабливаемом слое пристеночной плазмы. Ученые провели теоретические расчеты и выполнили численное моделирование. Расчетные данные проверены экспериментально на двух токамаках – на токамаке в Институте физики плазмы им. Макса Планка в Германии, а также на российском токамаке «Глобус-М», который находится в Физико-техническом институте им. Иоффе.
«Благодаря моделированию и экспериментам на существующих токамаках нам удалось подтвердить теорию о механизмах образования соскабливаемого слоя в реакторе. Эксперименты на обоих токамаках полностью подтвердили наши теоретические расчеты. Поэтому мы можем делать прогнозы и экстраполировать эти данные на более крупные реакторы», – говорит профессор Рожанский.
Наши ученые создали численный код для моделирования параметров пристеночной плазмы токамаков. «Разработанный код называется SOLPS-ITER, он был принят в качестве основного в ИТЭР в 2017 году», – уточняет Владимир Рожанский.
Сейчас он объявлен как официальный для расчета параметров пристеночной плазмы не только ITER, но и всех существующих установок, и рекомендован всем исследователям, занимающимся термоядерным синтезом для моделирования краевой плазмы токамака.
Моделируем самый большой в мире токамак
Сейчас научная группа Политехнического университета при поддержке Представительства СПбПУ в Шанхае решает новую задачу – моделирование самого большого в мире токамака – термоядерной установки CFETR (Chinese Fusion Engineering Test Reactor). Конструкция нового токамака и режимы его работы будут выбраны на основании расчетов, сделанных группой из Политеха совместно с коллегами из Научно-технического университета Китая и Института физики плазмы Академии наук города Хэфей. В 2025 году исследователи рассчитывают получить управляемую термоядерную реакцию с положительным выходом энергии, а запустить токамак планируется в 2030 году.
Профессор Рожанский объясняет: «Китайские коллеги обратились к сотрудникам ИТЭР с просьбой провести моделирование национального токамак-реактора.
В ИТЭР заявили, что единственная научная группа, которая сможет это сделать, – из Петербургского Политеха. На основе расчетов, которые мы выполняем, китайские коллеги будут решать, как именно конструировать свой реактор и его элементы (дивертор, пластины и другое.) Под каждый токамак требуются свои расчеты. Китайская установка больше по размеру, требует применения не таких газов, как на ИТЭР, магнитное поле сильнее. Так что мы адаптируем наш пристеночный код под новый проект. Этот токамак, как и международный термоядерный реактор – это потенциальные источники энергии будущего, причем практически неиссякаемые».
Поделиться записью
Термоядерная физика Льва Арцимовича
1572
Добавить в закладки
Сегодня, 25 февраля, 113 лет со дня рождения великого физика, академика АН СССР Льва Андреевича Арцимовича. Он был первым из ученых-физиков, кто разработал электромагнитный метод разделения изотопов.
Лев Андреевич был участником большого советского атомного проекта. Его научные труды по атомной и ядерной физике имеют большое значение и по сей день.
В 1924 году молодой Лев Арцимович решил связать свою жизнь с физикой, поступил на физико-математический факультет Минского университета, и успешно окончил его в 1928 году. За дополнительными знаниями поехал в Москву, а уже в 1929 году отлично защитил свою научную работу: «К теории характеристических рентгеновских спектров». Продолжая пополнять свой багаж знаний и нового опыта, был назначен в 1930 году на должность сверхштатного препаратора в Ленинградском физико-техническом институте (ЛФТИ). Именно там, в рентгенографическом отделе ЛФТИ, Лев Арцимович начал свои первые научно-исследовательские работы по физике рентгеновских лучей. Уже потом у него получилось открыть новое направление в физике атомного ядра. Его ключевым направлением в физике стали исследование процессов торможения и рассеяния быстрых электронов и изучение свойств быстрых нейтронов.
Совместно с братьями Абрамом Алихановым и Артемом Алиханьяном Лев Арцимович провел важный эксперимент, доказавший, что при аннигиляции позитронов с электронами закон сохранения импульса выполняется.
В Великую Отечественную войну Лев Арцимович придумал новую разработку – электронно-оптическую систему ночного видения с использованием инфракрасной области спектра.
Академик Лев Андреевич Арцимович (1909-1973)
Источник фото: strana-rosatom.ru
Уже в 1950 годы он стал руководить экспериментальными исследованиями по управляемому термоядерному синтезу СССР в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова. Там, через 2 года, со своими коллегами Лев Арцимович открыл нейтронное излучение высокотемпературной плазмы. Огромная работа на термоядерных установках «Токамак» позволила добиться физической термоядерной реакции в устойчивой квазистационарной плазме. За этот этап разработки, в 1971 году, Лев Арцимович был удостоен Государственной премии СССР по получению и исследованию высокотемпературной плазмы на установках «Токамак».
Материал подготовлен на основе из открытых источников.
Фото в тексте и на главной странице: rusplt.ru
Автор Анна Посохова
атомная физика
ядерная физика
физика атомного ядра
Лев Андреевич Арцимович
Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.
Ядерный синтез | Разработка, процессы, уравнения и факты
лазерный синтез
Посмотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Евгений Константинович Завойский
Ханс Бете
Игорь Васильевич Курчатов
Лайман Спитцер
Герш Ицкович Будкер
- Похожие темы:
- термоядерный реактор
ядерная энергия
протон-протонная цепь
нуклеосинтез
CNO-цикл
Просмотреть весь соответствующий контент →
Резюме
Прочтите краткий обзор этой темы
ядерный синтез , процесс, при котором ядерные реакции между легкими элементами приводят к образованию более тяжелых элементов (вплоть до железа).
В тех случаях, когда взаимодействующие ядра принадлежат элементам с низкими атомными номерами (например, водород [атомный номер 1] или его изотопы дейтерий и тритий), выделяется значительное количество энергии. Огромный энергетический потенциал ядерного синтеза был впервые использован в термоядерном оружии или водородных бомбах, которые были разработаны в десятилетие сразу после Второй мировой войны. Для подробной истории этого развития, см. ядерное оружие. Между тем, потенциальное мирное применение термоядерного синтеза, особенно с учетом практически безграничных запасов термоядерного топлива на Земле, стимулировало огромные усилия по использованию этого процесса для производства энергии. Для получения более подробной информации об этих усилиях см. термоядерный реактор.
В этой статье основное внимание уделяется физике реакции синтеза и принципам достижения устойчивых реакций синтеза с выделением энергии.
Реакция синтеза
Термоядерные реакции составляют фундаментальный источник энергии звезд, включая Солнце.
Эволюцию звезд можно рассматривать как прохождение различных стадий, поскольку термоядерные реакции и нуклеосинтез вызывают изменения состава в течение длительных промежутков времени. «Горение» водорода (H) инициирует термоядерный источник энергии звезд и приводит к образованию гелия (He). Генерация термоядерной энергии для практического использования также зависит от термоядерных реакций между самыми легкими элементами, которые сгорают с образованием гелия. На самом деле тяжелые изотопы водорода — дейтерий (D) и тритий (T) — реагируют друг с другом более эффективно, и, когда они подвергаются синтезу, они дают больше энергии за реакцию, чем два ядра водорода. (Ядро водорода состоит из одного протона. В ядре дейтерия один протон и один нейтрон, а в ядре трития один протон и два нейтрона.)
Реакции синтеза между легкими элементами, такие как реакции деления, которые расщепляют тяжелые элементы, высвобождают энергию из-за ключевого свойства ядерной материи, называемой энергией связи, которая может высвобождаться в результате синтеза или деления.
Энергия связи ядра является мерой эффективности, с которой составляющие его нуклоны связаны друг с другом. Возьмем, к примеру, элемент с Z протонов и N нейтронов в ядре. Атомный вес элемента A — это Z + N , а его атомный номер — Z . Энергия связи B — это энергия, связанная с разностью масс протонов Z и нейтронов N , рассматриваемых по отдельности, и нуклонов, связанных вместе ( Z + N ) в ядре с массой M . Формула
B = ( Z m p + N m n − М ) в 2 ,
где m p и m n — массы протона и нейтрона, а c — скорость света. Экспериментально было определено, что энергия связи на нуклон составляет максимум около 1,4 10 −12 Дж при атомном массовом числе приблизительно 60, то есть приблизительно равно атомному массовому числу железа.
Соответственно, слияние элементов легче железа или расщепление более тяжелых обычно приводит к чистому выделению энергии.
Два типа реакций синтеза
Реакции синтеза бывают двух основных типов: (1) те, которые сохраняют число протонов и нейтронов, и (2) те, которые включают преобразование между протонами и нейтронами. Реакции первого типа наиболее важны для практического производства термоядерной энергии, тогда как реакции второго типа имеют решающее значение для инициирования горения звезд. Произвольный элемент обозначается обозначением A Z X , где Z — заряд ядра, а A — атомный вес. Важная реакция синтеза для практического производства энергии — это реакция синтеза дейтерия и трития (реакция синтеза DT). Он производит гелий (He) и нейтрон ( n ) и записывается
D + T → He + n .
Слева от стрелки (до реакции) два протона и три нейтрона. То же самое и справа.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас
Другая реакция, которая инициирует горение звезд, включает слияние двух ядер водорода с образованием дейтерия (реакция слияния H-H):
H + H → D + β + + ν,
где β + представляет собой позитрон, а ν — нейтрино. Перед реакцией остается два ядра водорода (то есть два протона). Затем идут один протон и один нейтрон (связанные вместе как ядро дейтерия) плюс позитрон и нейтрино (образующиеся в результате превращения одного протона в нейтрон).
Обе эти реакции синтеза являются экзоэргическими и поэтому выделяют энергию. Физик немецкого происхождения Ганс Бете предположил в 1930-х годах, что реакция синтеза H-H может происходить с чистым выделением энергии и обеспечивать, наряду с последующими реакциями, фундаментальный источник энергии, поддерживающий звезды. Однако для практического производства энергии требуется реакция DT по двум причинам: во-первых, скорость реакций между дейтерием и тритием намного выше, чем между протонами; во-вторых, чистое выделение энергии в реакции DT в 40 раз больше, чем в реакции H-H.
Ядерная физика и физика элементарных частиц | Физика и астрономия
Ядерная физика — это изучение атомных ядер, их составляющих и взаимодействий, которые удерживают их вместе. Ядра представляют собой массивные ядра в центре атомов и состоят из протонов и нейтронов (адронов), которые определяют идентичность элемента и изотоп, а также некоторые радиоактивные процессы. Ядра составляют большую часть видимой массы вокруг нас, имеют решающее значение для внутренней работы звезд, происхождения химических элементов и ранней Вселенной. Сами адроны состоят из более фундаментальных частиц, известных как кварки и глюоны, и их взаимодействия приводят к сильному ядерному взаимодействию, которое обеспечивает связывающую силу, удерживающую протоны и нейтроны рядом друг с другом. Это математически описано в теории квантовой хромодинамики (КХД). Ядерная физика имеет множество важных применений в медицине, вооруженных силах, материаловедении, промышленности, биологии, геологии и археологии.
Физика элементарных частиц выросла из ядерной физики и изучает элементарные строительные блоки материи, излучения и их взаимодействия. К фундаментальным частицам относятся не только адроны, но и лептоны, такие как электроны и нейтрино. Переносчиками силы являются фотон, глюоны и бозоны W и Z. Стандартная модель элементарных частиц математически описывает силы материи во Вселенной (а именно, электромагнитные силы, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие) с поразительной точностью. С другой стороны, общая теория относительности Эйнштейна объясняет гравитационную силу (четвертую силу) только для макроскопического вещества, но не на квантовом уровне. Стандартная модель элементарных частиц неадекватно объясняет квантовую гравитацию. Теория струн — ведущая квантовая теория гравитации. Стандартная модель выдержала почти все экспериментальные испытания на сегодняшний день, но по-прежнему считается неадекватной большинством физиков элементарных частиц, поскольку она не объясняет происхождение масс, а также темной материи и темной энергии.
Измерения массы нейтрино дали первые экспериментальные отклонения от Стандартной модели элементарных частиц, и недавние наблюдения показывают, что 95% Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, что хорошо согласуется со Стандартной моделью космологии, но эта материя не вписывается в Стандартную модель элементарных частиц.
Экспериментальный факультет HEP нашего отдела участвует в CMS и ATLAS, которые представляют собой большие детекторы, используемые на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе, где они изучают бозон Хиггса и ищут темную материю. Экспериментаторы работают над модернизацией оборудования для LHC и участвуют в их использовании для измерений и анализа данных. Часть строительных работ выполняется в таких учреждениях, как Фермилаб и Брукхейвенская национальная лаборатория. Они также участвуют в Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), который ищет ответы на вопросы о происхождении материи, объединении сил и образовании черных дыр. Теоретики исследуют известные теории с помощью обширных расчетов и работают над открытием новой теоретической основы, выходящей за рамки Стандартной модели элементарных частиц и Стандартной модели космологии.
Они исследуют квантовую хромодинамику, чтобы понять ядерную материю в экстремальных условиях и ядерные реакции; поиск физики за пределами Стандартной модели элементарных частиц; развивать использование квантовых компьютеров для изучения аспектов сильно взаимодействующих частиц, квантового поведения гравитационных систем и возникновения пространства-времени; рассчитать сечения и рассеяние нейтрино, чтобы понять сигналы нейтрино от астрофизических объектов и измерения нейтрино; и работа над теориями гравитации и теорией струн, чтобы понять космологию, происхождение темной энергии и темной материи, а также связать квантовую механику и теории гравитации.
Предлагаются курсы повышения квалификации по квантовой теории поля, общей теории относительности, космологии, квантово-калибровочным теориям, физике элементарных частиц, теории алгебры Ли для физиков и квантовым вычислениям. Еженедельно проводится семинар по математической физике, ядерной физике и физике элементарных частиц.
Факультет, специализирующийся в этой области
Мэри Холл Рино, доктор философии.
