Термоядерный синтез: Что такое термоядерный синтез и почему его так сложно запустить?

Что такое термоядерный синтез? | МАГАТЭ

Что есть что в ядерной сфере

18.05.2022

Маттео Барбарино, Департамент ядерных наук и применений МАГАТЭ

Термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро с высвобождением огромного количества энергии.

Реакции синтеза происходят в агрегатном состоянии вещества, называемом плазмой — горячем заряженном газе, состоящем из положительных ионов и свободно движущихся электронов, который обладает уникальными свойствами, отличными от свойств твердых тел, жидкостей или газов.

Солнце, как и другие звезды, излучает энергию именно благодаря этой реакции. Для того чтобы внутри Солнца произошло слияние ядер, они должны столкнуться друг с другом при чрезвычайно высокой температуре, около десяти миллионов градусов Цельсия. Высокая температура дает им достаточно энергии, чтобы преодолеть взаимное электрическое отталкивание. Как только ядра преодолевают его и оказываются на очень близком расстоянии друг от друга, ядерная сила притяжения между ними перевешивает силу отталкивания и позволяет им слиться. Чтобы это произошло, ядра должны находиться в замкнутом пространстве, что увеличивает вероятность их столкновения. Идеальные условия для термоядерного синтеза на Солнце обеспечивает колоссальное давление, создаваемое мощной гравитацией.

Для чего ученые изучают термоядерные процессы?

С тех пор, как в 1930-х годах была сформулирована теория ядерного синтеза, многие ученые, такие как Ханс Бете, Пётр Капица и Игорь Тамм, а в последнее время и инженеры, стремились воспроизвести этот процесс и управлять им. Это связано с тем, что если ядерный синтез удастся запустить на Земле и реализовать в промышленных масштабах, то он сможет обеспечить практически безграничное количество чистой, безопасной и доступной энергии для удовлетворения мировых потребностей.

Термоядерный синтез способен генерировать в четыре раза больше энергии на килограмм топлива, чем деление ядер (используемое на атомных электростанциях) и почти в четыре миллиона раз больше энергии, чем сжигание нефти или угля.

Большинство разрабатываемых концепций термоядерных реакторов предполагают использование смеси дейтерия и трития — атомов водорода, содержащих дополнительные нейтроны. Теоретически, используя всего несколько граммов этих реактивов, можно получить тераджоуль энергии — такого количества энергии одному жителю развитой страны может хватить примерно на шестьдесят лет.

Термоядерное топливо широко распространено и легко доступно: дейтерий может быть извлечен из морской воды, для чего не требуются дорогостоящие технологии, а тритий потенциально может быть получен в результате реакции нейтронов, генерируемых при термоядерном синтезе, с литием, широко доступным в природе. Этих запасов топлива хватит на миллионы лет. Также будущие термоядерные реакторы безопасны по своей природе и, как ожидается, не будут вырабатывать высокоактивные или долгоживущие ядерные отходы. Кроме того, поскольку процесс термоядерного синтеза трудно запустить и поддерживать, нет риска возникновения цепной реакции и расплавления реактора; термоядерный синтез может происходить только в строгих эксплуатационных условиях, вне которых (например, в случае аварии или отказа системы) плазма естественным образом остынет, очень быстро потеряет свою энергию и погаснет, прежде чем реактору будет нанесен какой-либо существенный ущерб.

Важно отметить, что ядерный синтез, как и деление ядер, не приводит к выбросу в атмосферу углекислого газа и других парниковых газов, поэтому во второй половине этого века он может стать долгосрочным источником низкоуглеродной электроэнергии.

Горячéе солнца

На Солнце условия для термоядерного синтеза естественным образом создаются благодаря мощнейшей гравитационной силе, однако без этой силы для запуска реакции необходима температура даже выше, чем внутри Солнца. На Земле для синтеза дейтерия и трития необходима температура более 100 миллионов градусов Цельсия, и одновременно с этим должно регулироваться давление и магнитные силы, чтобы обеспечить стабильное удержание плазмы и поддержание реакции синтеза в течение достаточно долгого времени, чтобы произвести больше энергии, чем потребовалось для ее запуска.

Хотя условия, очень близкие к необходимым для создания термоядерного реактора, в настоящее время регулярно воспроизводятся в  ходе экспериментов, для поддержания реакции и устойчивого получения энергии все еще необходимо усовершенствовать методы удержания плазмы и обеспечения ее стабильности. Ученые и инженеры со всего мира продолжают разрабатывать и испытывать новые материалы и технологии для получения чистой термоядерной энергии.

Чего мы добились в развитии термоядерных технологий?

Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов, хотя пока и без выделения бóльшего количества энергии, чем изначально требовалось для запуска самой реакции. Специалистами уже были придуманы различные конструкции и установки на основе магнитов, в которых может происходить реакция термоядерного синтеза, такие как стеллараторы,  разработанные в США Лайманом Спитцером,  и токамаки,  разработанные в СССР Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, а также подходы, основанные на использовании лазеров, линейных ускорителей и усовершенствованного топлива.

Сколько времени потребуется для успешного освоения термоядерной энергии будет зависеть от мобилизации ресурсов за счет создания глобальных партнерств и налаживания сотрудничества, а также от того, насколько быстро промышленность сможет разработать, проверить и сертифицировать новые термоядерные технологии. Другим важным вопросом является параллельное развитие необходимой ядерной инфраструктуры, в том числе требований, стандартов и передового опыта, необходимых для работы с этим будущим источником энергии.

После 10 лет проектирования, подготовки площадки и производства компонентов по всему миру, в 2020 году во Франции началась сборка ИТЭР — крупнейшей в мире международной термоядерной установки. ИТЭР — это международный проект, целью которого является демонстрация научной и технологической осуществимости производства термоядерной энергии, а также отработка технологий и концепций для будущих демонстрационных термоядерных энергетических установок, называемых DEMO. ИТЭР начнет осуществлять свои первые эксперименты во второй половине этого десятилетия, а эксперименты на полной мощности планируется начать в 2036 году.

Временные рамки реализации программ DEMO в разных странах варьируются, но эксперты сходятся во мнении, что термоядерная электростанция, вырабатывающая электроэнергию, может быть построена и запущена к 2050 году. Параллельно с этим, определенные успехи в разработке концепций термоядерных электростанций также достигаются многочисленными коммерческими предприятиями, финансируемыми из частных источников. Опираясь на знания, накопленные за годы исследований и разработок, финансируемых государством, они стремятся обуздать термоядерную энергию еще раньше.

Какую роль играет МАГАТЭ?

МАГАТЭ уже давно находится в центре международных исследований и разработок в области термоядерного синтеза и недавно начало поддерживать инициативы по разработке и внедрению технологий на ранних стадиях.

• Для обмена информацией о достижениях в области ядерного синтеза МАГАТЭ начало выпускать в 1960 году журнал, посвященный термоядерному синтезу. В настоящее время этот журнал считается ведущим периодическим изданием в данной области. МАГАТЭ также регулярно публикует технические документы,  информационные и образовательные материалы по термоядерному синтезу.
• Первая международная Конференция МАГАТЭ по энергии термоядерного синтеза была проведена в 1961 году, а с 1974 года МАГАТЭ созывает конференцию каждые два года, чтобы способствовать обсуждению разработок и достижений в этой области.   Посмотрите короткий фильм об истории этой серии конференций.

• С 1971 года свой вклад в укрепление международного сотрудничества в области термоядерных исследований вносит Международный совет МАГАТЭ по исследованиям термоядерного синтеза.
• Соглашение по ИТЭР передано на хранение Генеральному директору МАГАТЭ. Партнерство между МАГАТЭ и Организацией ИТЭР осуществляется на основе соглашения о сотрудничестве, подписанного в 2008 году, которое было расширено в 2019 году.
• МАГАТЭ содействует международному сотрудничеству и координации деятельности по программам DEMO во всем мире.
• МАГАТЭ проводит ряд технических мероприятий и координированных исследований по темам, связанным с физикой термоядерного синтеза и разработкой и внедрением соответствующих технологий, а также организует и поддерживает образовательные и учебные мероприятия по термоядерному синтезу.
• МАГАТЭ администрирует цифровые базы основных данных по исследованиям термоядерной энергии, а также Информационную систему по термоядерным устройствам (FusDIS), в которой собрана информация о термоядерных устройствах, эксплуатируемых, строящихся или проектируемых по всему миру.
• МАГАТЭ осуществляет проект, посвященный синергизму развития технологий на стыке использования ядерных реакций деления и синтеза для производства энергии, а также обеспечению долгосрочной устойчивости — включая обращение с радиоактивными отходами — и правовым и институционным вопросам в области термоядерных установок.
• МАГАТЭ изучает ключевые аспекты безопасности, охватывающие весь жизненный цикл термоядерных установок, что предполагает выпуск соответствующих руководящих материалов и специализированных справочных документов.
• МАГАТЭ содействует предварительному обоснованию типовой демонстрационной установки термоядерного синтеза.

Ресурсы по теме

18.05.2022

водород и бор вместо дейтерия и трития / Хабр

Прототип термоядерного реактора TAE 5-го поколения был разработан для создания температур 30 миллионов градусов Цельсия, но уже сейчас он достиг 75 миллионов градусов. И в настоящее время команда разработчиков стремится увеличить температуру в 10 раз, причем ориентируясь на более дешевое, простое и безопасное борсодержащее топливо.

Если достаточно сильно ударить ядра двух атомов друг о друга, они могут слиться и создать другой элемент. Если вы используете правильные элементы, то получившийся в результате слияния атом будет весить меньше, чем первоначальные компоненты, а разница в массе будет высвобождена в виде энергии E=mc², как предсказывает знаменитое уравнение Эйнштейна. Если учесть, что квадрат скорости света довольно большое число, то даже небольшая масса топлива может выделить много энергии.

Но проблема в том, что атомные ядра чрезвычайно малы и положительно заряжены, они отталкиваются друг от друга, из-за чего их трудно столкнуть вместе. Тем не менее процесс синтеза постоянно происходит на Солнце. Но Солнце обладает колоссальной массой и гравитацией, которая притягивает атомы к центру звезды, заставляя их яростно колебаться и соударяться друг с другом. Сливаясь вместе, они высвобождают большое количество тепла, и такая цепная реакция не закончится в течение миллиардов лет.

Люди в течение многих десятилетий пытались воспроизвести этот процесс на Земле, привлеченные потенциальным обилием чистой энергии, причем даже более безопасной, чем ядерное деление, которое в свою очередь, несмотря на несколько громких инцидентов, остается одной из самых безопасных форм производства энергии. Пока еще ни у кого нет работающей термоядерной установки, но прогресс в этой области, похоже ускоряется.

Не имея огромной массы Солнца и его гравитационного притяжения многие попытки термоядерного синтеза на Земле полагаются на более высокие температуры, чем у нашего светила. В проектах синтеза с магнитным удержанием плазмы она нагревается примерно до 100 миллионов градусов по Цельсию, что почти в 4 раза горячее, чем в ядре Солнца. Тепло – это движение на атомном уровне, поэтому ожидается, что это дополнительное движение столкнет атомы плазмы друг с другом достаточно сильно, чтобы преодолеть ядерное отталкивание и началась реакция синтеза.

Но заметьте, предполагается, что вы используете тритий и дейтерий в качестве топлива. Например, этот способ реализует масштабный международный проект ИТЭР (ITER). Но у трития есть свои проблемы – он радиоактивный и облучает материалы реактора. Еще хуже тот факт, что он достаточно редок – сегодня в мире накоплено всего около 25 килограммов этого вещества, и, по собственным оценкам ИТЭР рассчитывает использовать почти всё это количество в экспериментах. Поэтому дефицит и радиоактивность делают термоядерную энергию достаточно дорогой.

Michl Binderbauer

«Практические ограничения немедленно становятся ограничениями по стоимости», — говорит Michl Binderbauer – генеральный директор TAE Technology (раннее называвшейся Tri Alpha Energy). Эта калифорнийская компания, основанная еще в 1998 году, как дочерняя компания Калифорнийского университета в Ирвине, привлекла более 1,2 миллиарда долларов США от таких инвесторов, как Google, Chevron, Goldman Sachs, Пол Аллен, семья Рокфеллеров и других. Собранные средства используются для создания ряда прототипов, которые постепенно увеличиваются в размерах.

Этапы развертывания термоядерного реактора

К началу 2030-х годов версия прототипа Да Винчи должна стать первой термоядерной электростанцией, поставляющей энергию в сеть

Четвертый прототип, названный Norman, в честь его разработчика Нормана Ростокера (Norman Rostoker), был построен в 2017 году и рассчитан на температуру плазмы 30 млн °C. Однако Норман получился намного лучше, чем запланировано. TAE продемонстрировал способность поддерживать плазму при температуре 75 млн °C, что позволило компании опередить график. Но конструкторы не нацелены даже на 100 миллионов градусов – их задача миллиард градусов Цельсия.

TAE надеется, что тритий будет просто демонстрационной точкой на пути к тому, чего компания действительно хочет достичь – синтез водорода и бора. У бора есть все преимущества, которых нет у трития: процесс не сопровождается никакой радиоактивностью, а на выходе получается гелий – химически инертный и безопасный, настолько насколько это вообще возможно. Бор сегодня производится метрическими тоннами. Он используется в моющих средствах – это товарный продукт, его можно найти повсюду.

Недостатком является то, что атом бора больше, чем тритий, с большим количеством положительных зарядов в ядре, поэтому в конструкции с магнитным удержанием нужно использовать гораздо больше энергии. Энергии на миллиард градусов.

Чтобы достичь температуры в 10 раз выше, чем то, к чему даже стремятся токамаки мира, TAE пришлось спроектировать совсем другой реактор, конструкция которого перекликается с ускорителем частиц в ЦЕРНе, где субатомные частицы разгоняются до астрономических величин и достигается температура в 5 триллионов градусов или ее эквивалент. Но для проекта TAE нужен только миллиард.

К концу 1990-х команда проработала достаточно много теоретического материала, провела моделирование и симуляцию процессов. В результате через 20 лет приступила к работе уже над физическими прототипами. Это был путь не столько научных открытий, сколько отработки технологий и создания инженерных компонентов.

Ускорители частиц текущего поколения (желтые цилиндры) позволяют разогреть плазму до 75 миллионов градусов

В то время как ускоритель частиц Большого адронного коллайдера представляет собой кольцо длиной 27 км, установка TAE удивительно компактна. «По сравнению с ЦЕРНом наши цифры выглядят смешными, — продолжает Биндербауэр. – Они могут создавать триллионы градусов, нам нужно в 1000 – 10 000 раз меньше. Они ускоряют более или менее отдельные частицы до 99,999% скорости света в вакуумной системе. Они работают на гораздо более высоком токе – миллионы ампер, мы же работаем с сотнями ампер. Нам же нужно «толкать» гораздо больше частиц, с более низкой энергией и скоростью. Так что наши показатели намного скромнее с точки зрения физического масштаба».

Токамак ИТЭР

Вместо того, чтобы вращать свою плазму в форме пончика, TAE удерживает ее на месте, ограничивая перемещение мощными магнитными кольцами. Это магниты с простой геометрией – плазма выглядят, как эллипсоид и вращается внутри цилиндра вдоль его оси. У разработчиков есть возможность управлять вращением и благодаря гироскопической стабилизации она очень устойчива и предсказуема.

Реактор в разрезе, показывающий, как плазма удерживается и вращается в середине цилиндраУдержание и вращение плазмы

Это более или менее похоже на выпрямленную часть тора токамака, но с существенным улучшением – магниты можно легко удалить или заменить без необходимости разборки всей установки. TAE может использовать диверторы (отводящие устройства) для отбора материи в любом конце трубы, действуя как «мусорные баки» для поглощения примесей и частиц выхлопных газов. В токамаке же это сопряжено с огромными проблемами. Норман собран из цилиндров около трех метров в диаметре, изготовленных из простого листового металла. Причем, в случае возникновения проблемы с теплопередачей, исследователи могут просто удвоить размер.

С точки зрения магнитной эффективности, являющейся основным параметром, в TAE она составляет около 90%, против около 10% в токамаке. Магниты являются большой и дорогой частью термоядерных систем, поэтому, если их эффективно использовать, то можно вырабатывать и более дешевую энергию.

Благодаря тому, что машина пятого поколения имеет показатели на 250 % выше проектных, исследователи начинают понимать, что чем горячее становится плазма, тем лучше работают ускорители частиц и системы магнитного удержания. Таким образом есть высокая степень уверенности, что можно достичь не только 150 миллионов градусов для трития, но и миллиарда градусов и выше, необходимых для бора. Это будет в конце десятилетия или в начале 30-х.

Следующий прототип, система Коперник (Copernicus) 5-го поколения, рассчитана на достижение температуры 100-150 миллионов градусов для того, чтобы доказать свою способность для синтеза трития.

  TAE нацелилась на 2025 год для своей первой демонстрации положительного по энергии синтеза трития

Коперник разработан для демонстрации положительного энергетического баланса, т.е. больше единицы, что означает, что он будет генерировать больше энергии, чем использует. Если и когда это удастся, разработчики перейдут к последнему шагу, машине Да Винчи (Da Vinci), которая доведет процесс до водородно-борных условий. Машина Да Винчи будет прототипом электростанции, выдающей ток от паротурбинного генератора.

Ожидания от инвестиций

В современном мире от инвесторов TAE требуется огромное терпение. Да, конечно же машины передовые и дорогие, но коммерческая отдача от них далеко за горизонтом. Подход компании заключается в работе над моделью «деньги после этапа» и направлен на снижение максимально возможного инвестиционного риска. Есть независимая научная группа, состоящая из самых ярких специалистов в области термоядерной физики, у которых нет ни акций, ни какой-либо доли в компании. Но они приходят два раза в год, им платят за их время, они проверяют работу и дают независимое подтверждение того, достигли ли разработчики определенного рубежа.

С другой стороны, у инвесторов есть потенциальное вознаграждение — владение технологией экологически чистой энергии, которая использует обильные, простые и дешевые виды топлива. Помимо этого, технология позволяет реагировать на скачки потребления электроэнергии, переходя от температуры окружающей среды к миллиарду градусов за несколько тысячных долей секунды. Таким образом, мощность установки может увеличиться, производя относительно быстрый нагрев воды и вращение турбин.

Что касается последнего пункта, то команда работает над системой прямого преобразования энергии, которая полностью исключит громоздкую турбину и заменит ее твердотельным устройством преобразования излучения в электроэнергию. Это отдаленно напоминает работу солнечных панелей, но в данном случае происходит преобразование не света, а мягкого рентгеновского излучения.

Стоимость электроэнергии и отношение общества к термояду

США электричество, вырабатываемое на газовых электростанциях, может стоить в диапазоне от одного до двух центов за киловатт-час. Атомная энергия, особенно с высоким уровнем безопасности АЭС, дороже и может быть на уровне 10-15 центов. Компания TAE ожидает, что их электростанция первого поколения будет производить электроэнергию по цене около 6-7 центов за киловатт-час. Причем эта цена без учета углеродных кредитов и субсидий. Но это будет первая электростанция, а в дальнейшем цены должны снизиться.

Вместе с тем компания предполагает, что ее электростанция не будет самым дешевым источником энергии, однако она будет практичной, полностью зеленой и с низкой ресурсоемкостью. Такие станции смогут безопасно работать даже в мегаполисах и по всему миру.

Безопасность является одним из ключевых преимуществ термоядерного синтеза по сравнению с ядерным делением. Правда придется провести просветительскую работу, поскольку каждый раз, когда кто-то слышит, что реактор планирует работать с субстанцией, которая почти в 40 раз горячее, чем ядро ​​Солнца у многих возникают опасения. Чиновники, например, всё время задают вопрос: миллиард градусов, разве это не расплавит реактор и не приведет к взрыву.

Взрыва не будет. ЦЕРН без происшествий достиг температуры более пяти триллионов градусов. Люди должны понимать, насколько малы атомы и как быстро рассеивается тепло. Если взять плазму с температурой 75 миллионов градусов и поместить в нее кубик льда, то … лед превратится в воду и даже не нагреется. Произойдет просто фазовый переход. Но большинству людей это совершенно непонятно. В реакторе нет расплавления активной зоны. У боро-водорода нет и радиоактивности. Процесс синтеза безопаснее, чем процесс расщепления и это надо донести до общественности. Но если к термоядерному синтезу относиться так же, как к ядерному делению, то регулирование этого направления отрасли будет длительным и сложным. Бюрократическая волокита может добавить лет 10 лет к срокам коммерциализации термоядерной энергии и соразмерно увеличит цену за электричество.

Команда TAE на фоне прототипа Norman

Видео по теме.

В статье использованы фото TAE Technologies и журнала Science.

УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ • Большая российская энциклопедия

Авторы: В. И. Ильгисонис (Перспективы)

УПРАВЛЯ́ЕМЫЙ ТЕРМОЯ́ДЕРНЫЙ СИ́Н­ТЕЗ (УТС), кон­тро­ли­руе­мое про­те­ка­ние тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций, при ко­то­ром дол­жен про­ис­хо­дить от­бор и даль­ней­шее ис­поль­зо­ва­ние вы­де­ляю­щей­ся энер­гии и (воз­мож­но) про­дук­тов ре­ак­ций. В ос­но­ве УТС ле­жит про­цесс ядер­но­го син­те­за – слия­ния ядер, сбли­зив­ших­ся на рас­стоя­ние дей­ст­вия ядер­ных сил, с об­ра­зо­ва­ни­ем бо­лее тя­жё­лых ядер. Для лёг­ких ядер (лег­че же­ле­за) ядер­ный син­тез мо­жет быть энер­ге­ти­че­ски вы­год­ным, что от­кры­ва­ет пер­спек­ти­вы УТС для энер­ге­ти­ки бу­ду­ще­го, де­лая осн. за­да­чей УТС соз­да­ние тер­мо­ядер­но­го ре­ак­то­ра.

Для сбли­же­ния на рас­стоя­ние дей­ст­вия ядер­ных сил яд­ра долж­ны об­ла­дать зна­чит. ки­не­тич. энер­ги­ей, дос­та­точ­ной для пре­одо­ле­ния ку­ло­нов­ско­го барь­е­ра. Ре­ак­ции ядер­но­го син­те­за мож­но с не­боль­шой ве­ро­ят­но­стью осу­ще­ст­вить и в тер­мо­ди­на­ми­че­ски не­рав­но­вес­ных сис­те­мах, напр. ра­зо­гнав яд­ра од­ной или не­сколь­ких ком­по­нент ре­ак­ции и бом­бар­ди­руя ими ми­шень с яд­ра­ми др. ком­по­нен­ты (т. н. пуч­ко­вый ме­ха­низм). При низ­ких энер­ги­ях реа­ги­рую­щих ядер ре­ак­ции ядер­но­го син­те­за воз­мож­ны за счёт тун­нель­но­го эф­фек­та. При сверх­вы­со­кой плот­но­сти ве­ще­ст­ва воз­мож­ны пик­но­ядер­ные ре­ак­ции за счёт ну­ле­вых ко­ле­ба­ний ядер в уз­лах кри­стал­лич. ре­шёт­ки. Од­на­ко сум­мар­ный по­ло­жи­тель­ный вы­ход энер­гии мож­но по­лу­чить лишь в ре­зуль­та­те тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций, про­те­каю­щих в реа­ги­рую­щей сме­си, на­гре­той до вы­со­кой темп-ры, что обес­пе­чи­ва­ет пре­одо­ле­ние ку­ло­нов­ско­го барь­е­ра боль­шим ко­ли­че­ст­вом ядер (при та­кой темп-ре ве­ще­ст­во обыч­но на­хо­дит­ся в со­стоя­нии плаз­мы). Вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ная плаз­ма долж­на удер­жи­вать­ся в те­че­ние вре­ме­ни, дос­та­точ­но­го для эф­фек­тив­но­го про­те­ка­ния ре­ак­ций ядер­но­го син­те­за. В при­ро­де тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции слу­жат гл. ис­точ­ни­ком энер­гии звёзд и ос­но­вой доз­вёзд­ных и звёзд­ных про­цес­сов нук­лео­син­те­за. К нач. 21 в. че­ло­вече­ст­во уме­ет ис­поль­зо­вать энер­гию тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций лишь в во­ен. це­лях (тер­мо­ядер­ный взрыв – не­управ­ляе­мый про­цесс).

Реакции

Для ре­ше­ния про­бле­мы УТС ана­ли­зи­ру­ют­ся тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции, об­ла­даю­щие наи­боль­ши­ми се­че­ния­ми при от­но­си­тель­но уме­рен­ных темп-рах. Ин­те­рес пред­став­ля­ет ре­ак­ция ме­ж­ду яд­ра­ми тя­жё­лых изо­то­пов во­до­ро­да – дей­те­рия и три­тия: D+T→⁴He+n+17,6 МэВ (n – ней­трон). Три­тий бе­та-ра­дио­ак­ти­вен с пе­рио­дом по­лу­рас­па­да 12,3 го­да; его по­лу­ча­ют об­лу­чая ней­тро­на­ми ли­тий, за­па­сы ко­то­ро­го на Зем­ле ве­ли­ки. Дей­те­рий – ста­биль­ный и ши­ро­ко рас­про­стра­нён­ный изо­топ (его со­дер­жа­ние в во­до­ро­де ок. 0,015%). Т. о., для DT-ре­ак­ции на Зем­ле име­ют­ся прак­ти­че­ски не­ог­ра­ни­чен­ные то­п­лив­ные ре­сур­сы. Для эф­фек­тив­но­го про­те­ка­ния этой ре­ак­ции DT-плаз­ма долж­на быть на­гре­та до темп-ры по­ряд­ка 100 млн. гра­ду­сов и удов­ле­тво­рять Ло­усо­на кри­те­рию.

Тер­мо­ядер­ная ре­ак­ция воз­мож­на и в DD-сме­си, но при бо­лее вы­со­ких зна­че­ни­ях па­ра­мет­ров плаз­мы (темп-ра долж­на быть поч­ти на по­ря­док, а про­из­ве­де­ние кон­цент­ра­ции ча­стиц на т. н. энер­гети­чес­кое вре­мя жиз­ни поч­ти на 2 по­ряд­ка вы­ше, чем для DT-ре­ак­ции). Ещё бо­лее вы­со­кие темп-ры не­об­хо­ди­мы для без­ней­трон­ных (и по­то­му эко­ло­ги­че­ски при­вле­ка­тель­ных) ре­ак­ций D+³He→⁴He+p+18,3 МэВ и p+¹¹B→3⁴He+8,7 МэВ (p – про­тон), что де­ла­ет ма­ло­ве­ро­ят­ной воз­мож­ность реа­ли­за­ции УТС на их ос­но­ве да­же в от­да­лён­ной пер­спек­ти­ве. Тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции во­до­род­но­го цик­ла и уг­ле­род­но-азот­но­го цик­ла, про­те­каю­щие в звёз­дах, име­ют чрез­вы­чай­но ма­лое се­че­ние и не рас­смат­ри­ва­ют­ся в це­лях УТС. Они реа­ли­зу­ют­ся лишь бла­го­да­ря боль­шо­му ко­ли­че­ст­ву звёзд­но­го ве­ще­ст­ва, удер­жи­вае­мо­му собств. гра­ви­та­ци­ей.

Устройства

В ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­но­го ре­ак­то­ра для УТС наи­бо­лее при­вле­ка­тель­ны сис­те­мы, ра­бо­таю­щие в ста­цио­нар­ном или ква­зи­ста­цио­нар­ном ре­жи­ме. Та­ки­ми сис­те­ма­ми яв­ля­ют­ся маг­нит­ные ло­вуш­ки, обес­пе­чи­ваю­щие маг­нит­ное удер­жа­ние вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы. Маг­нит­ное по­ле ло­вуш­ки ог­ра­ни­чи­ва­ет дви­же­ние за­ря­жен­ных час­тиц, обес­пе­чи­вая маг­нит­ную тер­мо­изо­ля­цию плаз­мы. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли маг­нит­ные ло­вуш­ки ти­па то­ка­мак – замк­ну­тые то­рои­даль­ные сис­те­мы, маг­нит­ная кон­фи­гу­ра­ция ко­то­рых соз­да­ёт­ся внеш­ни­ми ка­туш­ка­ми и те­ку­щим по плаз­ме то­ком. То­ка­мак обес­пе­чи­ва­ет бес­ко­неч­но дол­гое удер­жа­ние уе­ди­нён­ной за­ря­жен­ной час­ти­цы, но столк­но­ве­ния ме­ж­ду час­ти­ца­ми и раз­ви­тие плаз­мен­ной тур­бу­лент­но­сти при­во­дят к по­те­рям плаз­мы. Близ­ки­ми свой­ст­ва­ми об­ла­да­ют сис­те­мы ти­па стел­ла­ра­тор – замк­ну­тые ло­вуш­ки, маг­нит­ное по­ле ко­то­рых соз­да­ёт­ся толь­ко внеш­ни­ми об­мот­ка­ми. Стел­ла­ра­то­ры кон­ст­рук­тив­но слож­нее то­ка­ма­ков; их осн. пре­иму­ще­ст­во свя­за­но с воз­мож­но­стью бо­лее про­дол­жи­тель­ной (ста­цио­нар­ной) ра­бо­ты, по­сколь­ку, в от­ли­чие от то­ка­ма­ков, не тре­бу­ет­ся под­дер­жа­ние те­ку­ще­го по плаз­ме то­ка. По­тен­ци­аль­но ин­те­рес­ные кон­фи­гу­ра­ции маг­нит­ных ло­ву­шек с об­ра­щён­ным маг­нит­ным по­лем ши­ро­ко­го рас­про­стра­не­ния не по­лу­чи­ли. От­кры­тые (про­боч­ные или зер­каль­ные) маг­нит­ные ловуш­ки из-за по­вы­шен­ных по­терь час­тиц в ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­ных ре­ак­то­ров не рас­смат­ри­ва­ют­ся, од­на­ко со­хра­ня­ют­ся пер­спек­ти­вы их ис­поль­зо­ва­ния в ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­ных ис­точ­ни­ков ней­тро­нов и плаз­мен­ных кос­мич. дви­га­те­лей.

Аль­тер­на­ти­вой маг­нит­но­го удер­жа­ния слу­жит прин­цип инер­ци­аль­но­го удер­жа­ния, ос­но­ван­ный на воз­мож­но­сти про­те­ка­ния тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции за вре­мя ес­теств. раз­лё­та вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы. По­сколь­ку это вре­мя очень ко­рот­кое, для вы­пол­не­ния кри­те­рия Ло­усо­на смесь дей­те­рия и три­тия не­об­хо­ди­мо бы­ст­ро и силь­но сжать и на­греть. Для это­го мож­но ис­поль­зо­вать мощ­ные ла­зер­ные им­пуль­сы (ла­зер­ный тер­мо­ядер­ный син­тез), пуч­ки ус­ко­рен­ных час­тиц (ион­ный тер­мо­ядер­ный син­тез), раз­ря­ды с боль­шим то­ком (пинч-эф­фект) и др. По су­ти, речь идёт о ми­ниа­тюр­ных тер­мо­ядер­ных взры­вах, для реа­ли­за­ции ко­то­рых соз­да­ют­ся слож­ные мно­го­слой­ные ми­ше­ни, обес­пе­чи­ваю­щие бо­лее рав­но­мер­ное и од­но­род­ное бы­строе сжа­тие то­п­лив­ной сме­си и её на­грев. Од­но­род­ность не­об­хо­ди­ма, что­бы из­бе­жать раз­ви­тия не­ус­той­чи­во­стей плаз­мы – од­но­го из осн. пре­пят­ст­вий на пу­ти к реа­ли­за­ции УТС. Пред­ло­жен спо­соб т. н. бы­ст­ро­го под­жи­га, ко­гда сжа­тие пред­ше­ст­ву­ет на­гре­ву, ко­то­рый дол­жен быть им­пульс­ным, сверх­ко­рот­ким для ло­каль­но­го под­жи­га ми­ше­ни, с по­сле­дую­щим рас­про­стра­не­ни­ем тер­мо­ядер­но­го го­ре­ния на всю плаз­му.

Перспективы

Осн. дос­то­ин­ст­ва УТС для энер­ге­ти­ки бу­ду­ще­го со­сто­ят в от­сут­ст­вии ог­ра­ни­че­ний по то­п­ли­ву, в зна­чи­тель­но боль­шей (по срав­не­нию с ядер­ной энер­ге­ти­кой) ра­диа­ци­он­ной и эко­ло­гич. безо­пас­но­сти, а так­же безо­пас­но­сти от­но­си­тель­но уг­роз тер­ро­риз­ма и ава­рий.

Сро­ки реа­ли­за­ции УТС и пе­ре­хо­да к ус­та­нов­кам ре­ак­тор­но­го ти­па не впол­не оп­ре­де­ле­ны из-за боль­шо­го мас­шта­ба и вы­со­кой стои­мо­сти экс­пе­рим. ус­та­но­вок. Это, в свою оче­редь, яв­ля­ет­ся сти­му­лом для ши­ро­ко­го ме­ж­ду­нар. со­труд­ни­че­ст­ва в этой об­лас­ти. При­ме­ром та­ко­го со­труд­ни­че­ст­ва для маг­нит­но­го УТС стал то­ка­мак IТER, со­ору­жае­мый во Фран­ции ме­ж­ду­нар. кон­сор­циу­мом из 7 уча­ст­ни­ков. Этот то­ка­мак дол­жен про­де­мон­ст­ри­ро­вать дли­тель­ное го­ре­ние DT-плаз­мы с тер­мо­ядер­ным те­п­ло­вы­де­ле­ни­ем мощ­но­стью 0,4–0,5 ГВт, поч­ти на по­ря­док пре­вы­шаю­щим энер­ге­тич. за­тра­ты. Круп­ней­шей сис­те­мой ла­зер­но­го УТС долж­на стать ус­та­нов­ка УФЛ-2М, соз­да­вае­мая в Рос. фе­де­раль­ном ядер­ном цен­тре – Все­рос. НИИ экс­пе­рим. фи­зи­ки (г. Са­ров). Энер­гия, дос­тав­ляе­мая к ми­ше­ни УФЛ-2М, со­ста­вит 2,8 МДж, что поч­ти в 1,5 раза пре­вы­ша­ет энер­гию су­ще­ст­вую­щих ус­та­но­вок – NIF (США, 1,8 МДж) и LMF (Фран­ция, 2 МДж). Ус­та­нов­ки ITER и УФЛ-2М долж­ны быть за­пу­ще­ны в 2020-х гг.

Кро­ме пря­мо­го ис­поль­зо­ва­ния УТС для по­лу­че­ния энер­гии, воз­мож­но со­зда­ние гиб­рид­ных сис­тем, со­че­таю­щих тер­мо­ядер­ный ис­точ­ник ней­тро­нов (ТИН) и обо­лоч­ку (блан­кет), в ко­то­рой под дей­ст­ви­ем вы­со­ко­энер­гич­ных тер­мо­ядер­ных ней­тро­нов бу­дет про­ис­хо­дить на­ра­бот­ка то­п­ли­ва для обыч­ных атом­ных элек­тро­стан­ций. Тре­бо­ва­ния к па­ра­мет­рам плаз­мы ТИН и кон­ст­рук­тив­ные тре­бо­ва­ния зна­чи­тель­но ни­же, чем к тер­мо­ядер­но­му ре­ак­то­ру, что по­вы­ша­ет ве­ро­ят­ность та­кой реа­ли­за­ции УТС. Ряд труд­но­стей, свой­ст­вен­ных маг­нит­но­му тер­мо­ядер­но­му ре­ак­то­ру, мож­но бы­ло бы из­бе­жать, раз­мес­тив его в кос­мо­се, од­на­ко по­ка эта пер­спек­ти­ва яв­ля­ет­ся от­да­лён­ной.

Ядерный синтез может быть идеальным источником энергии — так почему мы не можем заставить его работать?

Теоретически можно направить немного энергии в водород и получить еще еще энергии обратно. Этот процесс называется термоядерным синтезом, и если бы мы когда-нибудь смогли заставить термоядерную энергию работать — большое если бы — нам никогда больше не пришлось бы беспокоиться о наших энергетических проблемах.

если бы мы могли заставить термоядерную энергию работать, нам бы никогда больше не пришлось беспокоиться об энергии

Это не совсем безумная идея. В конце концов, ядерный синтез уже происходит в ядре Солнца. И обещание термоядерной энергии заставляло исследователей делать все возможное на протяжении десятилетий. Иногда они даже достигают некоторых успехов — как это произошло прошлой зимой, когда группа ученых приблизилась к термоядерной энергии, чем когда-либо прежде.

Проблема в том, что научные и технические препятствия впереди все еще огромны — на самом деле, мы до сих пор не имеем полного представления о том, какими могут быть все препятствия. Тем не менее, потенциальная отдача настолько велика, что страны вложили миллиарды и миллиарды долларов в исследования в области термоядерного синтеза.

Итак, вот руководство о том, как далеко человечество продвинулось в области термоядерного синтеза и как далеко нам еще предстоит пройти.

Что такое термоядерный синтез?

Термоядерный синтез — это процесс, при котором два атома объединяются в более крупный атом, создавая большое количество энергии.

Процесс синтеза уже происходит естественным образом в звездах, включая Солнце, когда сильное давление и высокая температура сплавляют атомы водорода вместе, производя гелий и энергию. Именно этот процесс питает солнце и делает его таким горячим и ярким. Исследователи, работающие над термоядерной энергией, по сути, пытаются создать крошечные звезды здесь, на Земле.

Разве термоядерный синтез не является нарушением физики?

Нет. Когда два атома сливаются, они теряют часть своей массы, которая высвобождается в виде энергии. Это вполне приемлемо согласно знаменитому эйнштейновскому E = mc 9.0025 2 уравнение, в котором говорится, что масса может превращаться в чистую энергию и наоборот. (Здесь Е означает энергию. М означает массу. С — постоянное число, обозначающее скорость света в вакууме.)

Иллюстрация машины ИТЭР, которая, если все пойдет хорошо, термоядерный синтез к 2027 году. Организация ИТЭР

Разве наши атомные электростанции уже не занимаются термоядерным синтезом?

Нет. Ядерные реакторы выполняют деление , которое включает расщепление атомов. Слияние, напротив, происходит, когда атомы сливаются вместе. Синтез превращает больше массы в энергию за реакцию, чем деление.

Как солнце может так легко осуществить синтез?

Солнце весит примерно в 333 000 раз больше, чем Земля. Эта масса создает мощные гравитационные силы, создающие экстремальное давление. Это давление в сочетании с температурой до 27 миллионов градусов по Фаренгейту заставляет атомы сливаться воедино.

Итак, как мы делаем синтез на Земле?

У нас нет технологии для воссоздания огромного давления Солнца, поэтому исследователи должны компенсировать это, получая атомы водорода еще более горячими, чем солнце — в диапазоне сотен миллионов градусов по Фаренгейту. Они нагревают атомы с помощью различных инструментов, включая пучки частиц, электромагнитные поля, такие как микроволны и радиоволны, а также лазеры.

необходимые температуры настолько высоки, что водородное топливо превращается в плазму

Необходимые температуры настолько высоки, что водородное топливо превращается в плазму, состояние материи, которое существует, когда атомы газа расщепляются на положительно и отрицательно заряженные частицы . (Звезды и молнии — это плазма, как и светящееся вещество внутри неоновых вывесок.)

Исследователи десятилетиями проводят управляемые термоядерные реакции. В наши дни большая цель, которая еще не достигнута, состоит в том, чтобы создать термоядерный реактор, который производит больше энергии, чем потребляет9. 0005

Плазму, как и молнию, очень трудно контролировать. Александр Джо/AFP/Getty Images

Это то же самое, что и холодный синтез?

Нет. Холодный синтез — это теоретический синтез атомов при комнатной температуре. Никто никогда не занимался холодным синтезом, хотя за эти годы было много ложных заявлений. Ученые, изучающие термоядерную энергию, больше заинтересованы в горячем синтезе, которым они занимались в 1930-х годах — сейчас проблема заключается в том, как превратить его в полезную энергию.

Как мы сейчас пытаемся сделать синтез?

Есть много подходов. Вот два наиболее достойных внимания.

1) Магнитное удержание: Основной принцип магнитного удержания состоит в том, чтобы удерживать плазменное топливо на месте с помощью магнитов, а затем нагревать его с помощью комбинации микроволн, радиоволн и пучков частиц. Исследователи часто делают это в токамаке, реакторе в форме пончика (странная форма помогает удерживать плазму на месте).

один подход: держите плазменное топливо магнитами и нагревайте его

В 1990-х годах европейский токамак JET достиг мощности синтеза 16 миллионов ватт менее чем за секунду. В целом JET смог произвести 65 процентов энергии, которая пошла на эксперимент.

Совсем недавно международная группа строит крупнейший в мире термоядерный реактор. Это еще более крупный токамак под названием ИТЭР. Цель ИТЭР — производить 500 миллионов ватт мощности — в диапазоне реальной электростанции — за секунды за раз. Исследователи также хотят производить в десять раз больше энергии, чем потребляет система.

Но у ИТЭР уже есть проблемы: проект постоянно отстает от графика, при этом его сметная стоимость увеличивается втрое и составляет примерно 22 миллиарда долларов.

Видишь, какой крошечный человек в синем по сравнению с этим гигантским термоядерным реактором? Организация ИТЭР

2) Инерционное удержание: Этот подход используется Национальным заводом по воспламенению в Ливерморе, Калифорния, и включает 192 лазера.

НИФ стреляет лазерами в крошечную золотую банку, которая испаряется и испускает рентгеновские лучи. Затем эти рентгеновские лучи попадают в сферическую гранулу водородного топлива, которая меньше перчинки. Рентгеновские лучи нагревают и сжимают топливо, которое превращается в плазму. Затем крошечная часть этой плазмы превращается в гелий, выделяя энергию и нейтроны на долю секунды.

В феврале 2014 года исследователи из NIF сообщили, что топливная таблетка впервые произвела больше энергии, чем поглотила. Этот метод еще не пригоден для каких-либо практических потребностей в электроэнергии в реальном мире: лазеры эксперимента использовали примерно в 100 раз больше энергии, чем произведенная топливная таблетка. Тем не менее, это было многообещающе: результаты соответствовали компьютерным предсказаниям NIF, что свидетельствует о том, что понимание плазмы физиками улучшается.

192 лазера попали в эту золотую банку с водородным топливом внутри. НИФ

Какой подход к слиянию имеет наилучшие шансы на успех?

Если бы людям нужно было выбрать один, большинство поставило бы свои деньги на ИТЭР. Это связано с тем, что NIF исследует термоядерную энергетику только в качестве побочного проекта — его основная задача — проведение исследований, которые помогают поддерживать и тестировать ядерный арсенал США.

есть большая вероятность, что никто не преуспеет

Однако, есть также большая вероятность, что никому не удастся произвести практическую термоядерную энергию. В настоящее время ученые занимаются исследовательскими проектами, которые не будут подключены к энергосистеме. И заставить машину выполнять термоядерный синтез на доли секунды время от времени — ничто по сравнению с созданием настоящей электростанции, которая может выдержать травму от непрерывного термоядерного синтеза.

Это серьезная инженерная задача, и некоторые говорят, что построить коммерческую электростанцию ​​будет даже сложнее, чем запустить термоядерный синтез.

Почему термоядерная энергия так сложна?

Одна из основных причин заключается в том, что для этого требуется работа с плазмой, что очень сложно. Поскольку плазма не так распространена на Земле, у ученых было очень мало опыта с ней, пока они не начали изучать термоядерный синтез.

Плазму трудно удержать: Температура плазмы, используемой в исследованиях термоядерной энергии, составляет сотни миллионов градусов по Фаренгейту. Вы не можете удержать его, используя твердый контейнер, потому что контейнер просто расплавится. Вместо этого физики должны поймать его с помощью электромагнитных полей или работать с ним так быстро (менее чем за миллиардную долю секунды), что удержать его не проблема.

Плазму трудно сжать: Если вы не будете сжимать плазму со всех сторон совершенно равномерно, она будет выдавливаться везде, где только возможно. Scientific American хорошо объяснил это: «Представьте, что вы держите большой мягкий воздушный шар. Теперь сожмите его настолько, насколько это возможно. Независимо от того, насколько равномерно вы надавливаете, воздушный шар всегда будет выбрасываться через пространство между вашими пальцами. Та же проблема относится и к плазме. Каждый раз, когда ученые пытались сжать ее в достаточно плотный шар, чтобы вызвать термоядерный синтез, плазма находила способ выплеснуться наружу».

Камера, в которой происходит синтез в Национальном центре зажигания. NIF

Получим ли мы когда-нибудь термоядерную энергию?

Люди, связанные с ИТЭР, говорят, что в 2020 году у них будет плазма в реакторе, а к 2027 году начнется термоядерный синтез. Но проект преследовали задержки, не говоря уже о крайне негативных отзывах его руководства в последнее время. Так что относитесь к этим датам с большой долей скептицизма.

Исследования в области термоядерного синтеза имеют давнюю историю: до них всегда оставалось 20 лет

В более широком смысле, исследования в области термоядерной энергетики имеют очень долгую историю и всегда обещают, что до успеха осталось всего 20 лет. Не обошлось и без сумасшедших, торгашей и благонамеренных, но слепо оптимистичных ученых. Хороший пессимистичный аргумент в пользу того, почему термоядерной энергии никогда не будет, можно найти в статье журналиста Чарльза Сейфа на Slate, опубликованной несколько лет назад.

Звучит опасно. Это убьет нас?

Нет. Одна из причин, по которой люди так увлечены термоядерной энергией, заключается в том, что она должна быть чертовски безопасной — намного безопаснее, чем наши нынешние атомные электростанции, и абсолютно безопаснее, чем бомба.

А как насчет ядерных аварий, таких как Фукусима?

Здесь не проблема. Во-первых, плазме нужна очень тщательно контролируемая среда, чтобы произошел синтез. Так что если с реактором что-то пойдет не так, реакция синтеза просто остановится. Вот почему нет опасности неконтролируемой реакции, такой как ядерный расплав.

И, в отличие от деления, термоядерная энергетика не требует топлива, такого как уран, который производит долгоживущие высокорадиоактивные отходы. В систему термоядерного синтеза входит только водород и иногда литий, а выходит гелий (вещество, которое находится в воздушных шарах для вечеринок) и немного нейтронов.

Оли Скарфф/Getty Images

Значит, термоядерная энергия абсолютно безопасна?

Нет ничего абсолютно безрискового, и синтез не исключение. Вот некоторые из рисков.

Радиоактивность, вызванная нейтронами: Реакции синтеза производят высокоэнергетические нейтроны, которые сами по себе не радиоактивны. Однако они ударяют по стенкам реактора с такой энергией, что стенки могут стать радиоактивными. (Однако эта радиоактивность сохраняется не так долго, как на нынешних атомных станциях.)

Тритиевое топливо: Тритий — это тип водорода, который в настоящее время используется во многих термоядерных экспериментах. И он слаборадиоактивен. Но это, наверное, не большая проблема. Агентство по охране окружающей среды говорит следующее: «Поскольку [тритий] излучает очень низкоэнергетическое излучение и относительно быстро покидает тело, при заданном количестве потребляемой активности тритий является одним из наименее опасных радионуклидов». А тритий используется в таких малых количествах, что риск загрязнения окружающей среды исключительно низок.

Не закончится ли топливо?

Не для тысячи поколений или около того.

НЕСКОЛЬКО ГАЛЛОНОВ ВОДЫ МОГУТ ОБЕСПЕЧИТЬ ТА ЖЕ ЭНЕРГИИ, ЧТО НЕФТЬ СУПЕРТАНКЕРА

Физики любят использовать дейтериевую и тритиевую формы водорода, которые легче сплавить, чем стандартный вид.

Дейтерий естественным образом встречается в воде в достаточно высоких концентрациях, чтобы ее было много. И нам потребуется так мало (несколько галлонов воды могут обеспечить такую ​​же мощность, как нефти на супертанкере), что истощение наших водных ресурсов на самом деле не проблема.

Тритий должен производиться людьми. Его можно производить в реакторах деления или путем добавления лития в термоядерный реактор. Хотя лития не так уж много на суше, в морях его достаточно, чтобы теоретически поддерживать 30 000 лет термоядерной энергии.

Топливом для термоядерной энергетики является вода. ASP/Getty Images

Если Солнце уже занимается термоядерным синтезом, почему бы просто не использовать солнечные панели?

Многие люди говорят, что солнечная (или любая другая энергия) лучше, чем термоядерная. Вопрос о том, стоит ли тратить время и деньги на термоядерные исследования, довольно спорный.

Но одно из главных препятствий при использовании солнечной энергии заключается в том, что солнце светит лишь иногда. Если бы мы полностью перешли на солнечную энергию, потребовались бы крупномасштабные аккумуляторные технологии, которых у нас пока нет. Термоядерная энергия, такая как сегодняшние электростанции, работающие на ископаемом топливе, и атомные электростанции, может обеспечивать энергией 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, в любом месте.

Могу ли я сам сделать сплав?

Вероятно, хотя это связано с опасным высоким напряжением. Несколько лет назад 14-летний подросток построил в своем подвале термоядерный реактор. Сегодня вы можете получить точные инструкции о том, как построить его за 1000 долларов. Веселиться.

Наша цель в этом месяце

Сейчас не время для платного доступа. Настало время указать на то, что скрыто на виду (например, сотни отрицателей выборов в бюллетенях по всей стране), четко объяснить ответы на вопросы избирателей и дать людям инструменты, необходимые им для активного участия в американской политике. демократия. Подарки читателям помогают сделать наши журналистские статьи, основанные на исследованиях, бесплатными для всех. К концу сентября мы планируем добавить 5000 новых финансовых спонсоров в наше сообщество сторонников Vox. Поможете ли вы нам достичь нашей цели, сделав подарок сегодня?

Астространицы | Солнце и Фьюжн

Ученые LLNL подтверждают термоядерный синтез в Z-пинче со сдвиговым потоком под руководством физиков Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) доказали существование нейтронов, образующихся в результате термоядерных реакций в устройстве Z-пинча, стабилизированном сдвиговым потоком.

Исследователи использовали передовые методы компьютерного моделирования и диагностические измерительные устройства, отточенные в лаборатории, чтобы решить многолетнюю проблему различения нейтронов, образующихся в результате термоядерных реакций, от нейтронов, вызванных нестабильностью ионного пучка для плазмы в режиме магнито-инерционного синтеза.

В то время как предыдущее исследование группы показало, что нейтроны, измеренные с помощью устройств Z-пинча, стабилизированных сдвиговым потоком, «совместимы с термоядерным производством, мы еще не полностью доказали это», — сказал физик LLNL Дрю Хиггинсон, один из соавторов исследования. статья, недавно опубликованная в Физика плазмы .

«Это прямое доказательство того, что термоядерный синтез производит эти нейтроны, а не ионы, вызванные нестабильностью пучка», — сказал Хиггинсон, главный исследователь группы Portable and Adaptable Neutron Diagnostics (PANDA), которая проводит исследования в рамках перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики. Соглашение о сотрудничестве Агентство-Энергия (ARPA-E). «Не доказано, что они получат прирост энергии, но это многообещающий результат, который предполагает, что они на правильном пути».

Физик LLNL Джеймс Митрани был ведущим автором статьи, которая демонстрирует, как широкий спектр исследований лаборатории приносит пользу более широкому сообществу термоядерных синтезов, помимо основных достижений, сделанных Национальным центром зажигания LLNL (NIF), самой мощной лазерной системой в мире.

«Исследования были сосредоточены только на этом одном устройстве, — сказал Митрани, — но общие методы и концепции применимы ко многим термоядерным устройствам в этом промежуточном магнито-инерционном термоядерном режиме». Он отметил, что режим действует в области между установками лазерного термоядерного синтеза, такими как NIF и Omega Laser Facility в Университете Рочестера, и термоядерными установками, которые удерживают плазму в чисто магнитном режиме, такими как ITER (многонациональный проект на юге Франции). SPARC (строится недалеко от Бостона) или другие токамаки.

С августа NIF вызвал ажиотаж в мировом научном сообществе, потому что эксперимент по термоядерному синтезу с инерционным удержанием (ICF) дал рекордные 1,35 мегаджоуля (МДж) энергии. Эта веха привела исследователей к порогу воспламенения, определенному Национальной академией наук и Национальным управлением ядерной безопасности, когда имплозия NIF производит больше энергии синтеза, чем количество лазерной энергии, доставленной к цели. Этому выстрелу предшествовал прогресс, достигнутый исследователями LLNL в достижении состояния горящей плазмы в лабораторных экспериментах (см. «Природа: как исследователи достигли режима горящей плазмы в NIF»).

Термоядерный синтез — это источник энергии, найденный в солнце, звездах и термоядерном оружии. Эксперименты NIF ICF фокусируют 192 лазерных луча на небольшой мишени, чтобы сжать и нагреть частично замороженные изотопы водорода внутри топливной капсулы, создавая имплозию, воспроизводя условия давления и температуры, которые можно найти только в ядрах звезд и планет-гигантов, а также при взрыве ядерного оружия. Z-пинч-машины осуществляют термоядерный синтез, используя мощное магнитное поле для удержания и «сжатия» плазмы.

Концепция Z-пинча представляет собой относительно простую конструкцию, которая существует как теоретическая модель с 1930-х годов. Но Хиггинсон отметил, что у него была долгая история «ужасных нестабильностей», которые препятствовали способности создавать условия, необходимые для достижения чистого прироста энергии термоядерного синтеза.

В 1990-х годах ученые LLNL начали работать с исследователями Вашингтонского университета (UW) над продвижением еще одного многообещающего пути к воспламенению, концепции Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком. Вместо мощных стабилизирующих магнитов, используемых в других устройствах Z-пинча, устройства Z-пинча, стабилизированные сдвиговым потоком, используют импульсный электрический ток для создания магнитного поля, протекающего через столб плазмы, чтобы уменьшить нестабильность, нарушающую термоядерный синтез.

«Проблема с нестабильностями заключается в том, что они не создают жизнеспособного пути к производству энергии, в отличие от термоядерного синтеза», — сказал Хиггинсон. «Всегда было сложно диагностировать эту разницу, особенно в Z-пинче».

В 2015 году исследователи LLNL и UW получили соглашение о сотрудничестве ARPA-E на сумму 5,28 миллиона долларов для проверки физики стабилизации пинча при более высоких энергиях и токе пинча в рамках университетского проекта Fusion Z-Pinch Experiment (FuZE).

На верхней фотографии показан один из сцинтилляционных детекторов, используемых для измерения нейтронов на устройстве FuZE. На нижней упрощенной схеме показан физический механизм генерации импульсов в детекторе, где протоны отдачи, образующиеся при взаимодействии быстрых нейтронов, генерируют свет посредством возбуждения и ионизации сцинтилляционной среды. Сцинтилляционный свет преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоумножителя (ФЭУ).

В соответствии с последующим соглашением о сотрудничестве «группы возможностей» ARPA-E исследователи LLNL сосредоточились на диагностике, которая измеряла выбросы нейтронов, возникающие в процессе синтеза, включая пространственное расположение и временные профили этих выбросов. Объединение опыта национальных лабораторий в области диагностики плазмы и гибкой работы частных компаний опирается на каждую из их сильных сторон и является ключевой целью групповой программы термоядерного синтеза ARPA-E.

По мере того, как радиус цилиндра FuZE уменьшался для увеличения сжатия, это также создавало провалы в плазме, которые генерировали гораздо более сильные магнитные поля, которые заставляли плазму сжиматься внутрь больше в одних местах, чем в других. Подобно защемленным концам популярного трубчатого мясного фарша, эти нежелательные «колбасные» нестабильности будут создавать пучки более быстрых ионов, производящих нейтроны, которые можно спутать с желательными нейтронами, произведенными термоядерным способом.

Исследователи LLNL поместили два пластиковых сцинтилляционных детектора снаружи устройства для измерения следов нейтронов, появляющихся всего за несколько микросекунд из разных точек и под разными углами за пределами камеры Z-пинча.

«Мы показали, что энергия испускаемых нейтронов была одинаковой в разных точках вокруг этого устройства, что свидетельствует о реакциях термоядерного синтеза», — сказал Митрани.

Анализ включал создание гистограмм нейтронных импульсов, обнаруженных двумя сцинтилляторами, и их сравнение с использованием таких методов, как компьютерное моделирование Монте-Карло, которое исследует все возможные результаты.

Диагностика не нова, сказал Хиггинсон, но «идея использования гистограмм энергий отдельных нейтронных импульсов для измерения анизотропии — разницы в энергиях, — когда вы смотрите в разных направлениях, — это новый метод, и мы думали о нем. , разработанная и реализованная здесь. Кроме того, мы работали с Калифорнийским университетом в Беркли, который помог нам развить возможности моделирования, чтобы сгладить неопределенности в измерениях и полностью понять данные, которые мы видим. Мы не просто просматриваем необработанные данные».

Статья «Термоядерная эмиссия нейтронов из Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком», была опубликована в ноябре и стала результатом приглашенного доклада Митрани, представленного на ежегодном собрании Отдела физики плазмы Американского физического общества в 2020 году.

Митрани к Хиггинсону присоединился коллега LLNL Гарри Маклин; Джошуа Браун и Тибо Лаплас из Калифорнийского университета в Беркли; Бетани Голдблюм из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли; и Эллиот Клаво, Зак Дрейпер, Элеонора Форбс, Рэй Голинго, Брайан Нельсон, Ури Шумлак, Антон Степанов, Тобин Вебер и Юэ Чжан из Вашингтонского университета.

Исследование было выделено в 2017 году частным стартапом из Сиэтла под названием Zap Energy.

Исследования продолжаются в рамках новых грантов, при этом более подробные измерения проводятся 16 детекторами, поскольку Zap Energy продолжает эксперименты.

«Мы хотим участвовать, потому что не знаем, какие сюрпризы могут возникнуть», — сказал Хиггинсон. «Может оказаться, что когда вы переходите к более высокому току, вы вдруг снова начинаете управлять нестабильностью. Мы хотим иметь возможность доказать, что по мере роста тока можно поддерживать высокое качество и стабильность пинча».