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

Содержание

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.

Термоядерный синтез — что это такое, токамак, синтез, изучение, проблемы, трудности, эксперименты

Это интереснейший физический процесс, который (пока в теории) может избавить мир от энергетической зависимости от ископаемых источников топлива. В основе процесса лежит синтез атомных ядер из более легких в более тяжелые с выделением энергии. В отличие от другого использования атома — выделение из него энергии в ядерных реакторах в процессе распада — термоядерный синтез на бумаге практически не будет оставлять радиоактивных побочных продуктов.

Реакторы термоядерного синтеза имитируют ядерный процесс внутри Солнца, сталкивая более легкие атомы вместе и превращая их в более тяжелые, и выделяя огромное количество энергии по пути. На Солнце этот процесс приводится в действие силой гравитации. На Земле инженеры пытаются воссоздать условия термоядерного синтеза при помощи чрезвычайно высоких температур — порядка 150 миллионов градусов — но им трудно удерживать плазму, необходимую для синтеза атомов.

Одно из построенных решений представлено ИТЭР, ранее известным как Международный термоядерный экспериментальный реактор, который строится с 2010 года в Карадаше, Франция. Первые эксперименты, первоначально запланированные на 2018 год, были перенесены на 2025 год.

Самое обсуждаемое по теме Термоядерный синтез

До тех пор, пока мы не научимся получать энергию из реакции термоядерного синтеза, самым эффективным и экономичным способом ее добычи будут атомные станции. Только они могут обеспечить огромное количество энергии с минимальными затратами топлива. Проблема в другом. Все это топливо после того, как переходит в разряд ”отработанного ядерного топлива” (ОЯТ), становится бременем для нашей планеты. Его надо куда-то девать и за прогресс приходится платить. Как говорится, вход рубль, выход — два. Но как можно справиться с ним, чтобы это топливо не вредило планете и ее жителям? Оказывается, есть несколько очень действенных способов, кроме захоронения. Давайте посмотрим, во что превращается ”выхлоп” атомной станции.

Можете ли вы представить себе мир, в котором не нужны никакие дополнительные источники энергии? Мир, в котором не надо будет задумываться о том, как экономить энергию. Она будет если и не бесплатной, то очень дешевой. А теперь представьте Солнце, которое каждую секунду вырабатывает столько энергии, сколько человечество не израсходовало за всю свою историю и не израсходует еще долго. Как же мы можем реализовать получение энергии Солнца на нашей планете? Оказывается, уже более 60 лет существуют технологии, которые способны обеспечить нас почти неисчерпаемыми источниками энергии за минимальные деньги и с использованием почти бесплатного топлива. Резонный вопрос: почему мы не пользуемся такой возможностью?

Возможность создания термоядерных электростанций ученые и инженеры со всего мира обсуждают уже достаточно давно. И возможность строительства подобного объекта не просто не исключается, а всячески поддерживается. Вопрос лишь в том — кто будет первым в этой «термоядерной гонке». Вполне возможно, что преуспеют в этом ученые с Туманного Альбиона, ведь они планируют построить первую в мире термоядерную электростанцию в ближайшие пару десятилетий.

19 марта 2019 года The Galaxy написал, что Китай вот-вот запустит «искусственное солнце», обещающее будущее безграничной чистой энергии. В отличие от ядерного деления, синтез не испускает практически никаких парниковых газов и несет меньше риска случайной утечки атомарного вещества. «Искусственное солнце» — это китайский экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак в форме тора, который строится на земляной косе в озере в восточной провинции Аньхой.

В 2018 году ученые сообщили суровую новость: несмотря на беспокойство на тему глобального потепления, за счет угля было выработано 38% мировой электроэнергии в 2017 году — то есть, ровно столько же, сколько и при появлении первых тревожных предупреждений о климате 20 лет назад. Хуже того, выбросы парникового газа выросли на 2,7% в прошлом году — это крупнейшее увеличение за семь лет. Такой застой привел к тому, что даже политики и экологи начали задумываться о том, что нам нужно больше ядерной энергии.

В мире науки появился новый претендент на звание самого молодого физика-ядерщика, достигшего реакции термоядерного синтеза. Им является 13-летний паренек по имени Джексон Освальт, проживающий в штате Теннесси (США). Пока его сверстники, что типично для такого возраста, играли в видеоигры и смотрели телевизор, Джексон был занят сборкой компактного реактора термоядерного синтеза в своей лаборатории, которую он сам же и создал в бывшей игровой комнате своего дома, пишет портал Science Alert.

В прошлом году «Вояджер-2» окончательно прорвался в межзвездное пространство, пройдя более 18 миллиардов километров. Эта эпическая миссия стала возможной благодаря ядерной энергии, на технологии которой космические аппараты работали десятилетиями. Космические аппараты, подобные паре «Вояджеров», оснащены радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ). Эти двигатели полагаются на то, что по мере разрушения радиоактивных веществ выделяется тепло. Преобразуя тепло, вырабатываемое при распаде плутония-238 (P-238), в электричество, космический аппарат продолжает работать еще долго после того, как солнечные лучи становятся тусклым отблеском.

Одним из наиболее перспективных направлений в ядерной энергетике является тип ректора, который называется токамаком. В нем используются очень мощные магнитные поля, с помощью которых внутри специальной тороидальной камеры (в форме полого бублика) улавливается нагретая плазма. Одна из сложностей заключается в том, что плазма внутри камеры разогревается до колоссальных значений – миллионов градусов Цельсия. Такие температуры обычно можно встретить, например, у короны Солнца. Физики из Великобритании заявляют, что нашли безопасный способ охлаждения раскаленной до миллиона градусов плазмы. Об этом сообщает информационное издание Рейтер.

С помощью экспериментального продвинутого сверхпроводящего токамака (EAST), который называют китайским «искусственным солнцем», физики смогли разогреть плазму до 100 миллионов градусов Цельсия (что в 6 раз выше температуры ядра нашей звезды) и достигнуть мощности нагрева в 10 МВт. В рамках этого эксперимента ученые получили показатели, приближающиеся к физическим условиям необходимым для работы реактора термоядерного синтеза в стабильном режиме.

Уже достаточно давно ученые пытаются создать условия для проведения стабильной управляемой реакции термоядерного синтеза. Однако производство такого реактора сопряжено с массой трудностей и даже самый масштабный на сегодня проект в этой сфере ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) был отложен до 2025 года. Но подмога может прийти от физиков из Токийского Университета, которые, по сообщению издания ScienceAlert, стали еще на шаг ближе к использованию энергии термоядерного синтеза. Им впервые удалось создать магнитное поле с полностью контролируемыми параметрами.

Что такое ядерный синтез? | Космос

Звезды, как и наше Солнце, питаются ядерным синтезом.
(Изображение предоставлено DrPixel/Getty Images)

Ядерный синтез — это процесс соединения двух легких атомных ядер и создания более тяжелого, при этом небольшое количество материи превращается в огромное количество энергии.

Это ядерный синтез, который снабжает звезды — включая солнце — своей энергией, позволяя им генерировать свет. Подавляющее большинство энергии, которую получает Земля, исходит от Солнца, и без него сама жизнь на нашей планете была бы невозможна.

Эта энергия направлена на нашу планету из того, что можно приблизительно описать как поверхность нашей звезды, фотосферу. Этот слой шара перегретой плазмы, который мы называем Солнцем, нагревается ядром звезды, где происходит большая часть ядерного синтеза. Этот источник энергии настолько вездесущ и так важен здесь, на Земле, что неудивительно, что физики отчаянно пытаются воспроизвести его в реакторах на нашей планете. Будущее, основанное на термоядерном синтезе, может означать, что растущие потребности человечества в энергии будут удовлетворяться за счет чистой и высокоэффективной термоядерной энергии.

Связанный: Из чего сделано солнце?

Научный журналист

Роберт Ли имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании. Роберт сотрудничал с Space.com более десяти лет, его работы публиковались в журналах Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space и других изданиях.

Ядерный синтез питает звезды

Ключом к пониманию того, как синтез генерирует энергию, является печально известное уравнение Альберта Эйнштейна, объясняющее, как энергия равняется массе, умноженной на квадрат скорости света (E=mc² ). Это говорит нам о том, что материя и энергия взаимозаменяемы, а термин c² говорит нам о том, что небольшая масса создает много энергии.

Когда частицы материи сливаются, частицы, участвующие в процессе, имеют немного большую массу, чем созданные дочерние частицы, при этом разница в массе «высвобождается» в виде энергии.

Даже при значительном выходе массы в энергию при синтезе каждый случай синтеза высвобождает лишь незначительное количество энергии. К счастью, звезды компенсируют это наличием большого количества сырья для термоядерного синтеза, и эти процессы происходят с невероятной скоростью.

Основным процессом синтеза, обеспечивающим большую часть солнечной энергии, является цепь протон-протон I (PPI). Есть еще две ветви цепи PP (II и III), но на них приходится только около 15 процентов термоядерного синтеза на Солнце.

Цепной процесс PPI включает четыре атома водорода, сталкивающихся друг с другом и образующих атом гелия, два электрона, два нейтрино и два высокоэнергетических гамма-фотона.

Иллюстрация процесса ядерного синтеза, в частности создания гелия из водорода. Четыре протона (ядра водорода) соединяются слева, высвобождая при этом два протона и два нейтрона (ядро гелия). (Изображение предоставлено Марком Гарликом/Getty Images)

Хотя часть энергии уносится в виде кинетической энергии дочерней частицы, большая часть переносится двумя фотонами гамма-излучения. Эти фотоны будут изо всех сил пытаться вырваться из плотного недра звезды, однако — потребуется более 30 000 лет, чтобы добраться от ядра до поверхности. В это время фотоны претерпевают ряд столкновений, поглощений и переизлучений, которые «понижают» их энергию до фотонов видимого света, в конечном итоге излучаемых фотосферой.

Каждое появление PPI излучает около 0,0000000000044 Дж, что означает — игнорируя другой процесс синтеза, происходящий на Солнце — наша звезда должна завершать этот процесс примерно 9×10³⁷ (9 с последующими 37 нулями) раз в секунду, чтобы поддерживать свою светимость!

Если четыре грамма водорода превратить в гелий посредством этого процесса, только 0,0028 грамма улетучится в виде энергии. Это соответствует примерно 260 миллиардам джоулей, достаточно энергии для питания 60-ваттной лампочки в течение примерно 100 лет.

Из-за огромного содержания водорода Солнце поддерживает эту скорость синтеза в течение примерно четырех с половиной миллиардов лет и будет продолжать делать это еще четыре с половиной миллиарда лет, пока водород в его центре не будет исчерпан.

Связанный: Когда солнце умрет?

Эта фаза ковки гелия, сжигающая водород, является тем, что астрофизики называют временем жизни звезды на главной последовательности. Но гелий — не единственный химический элемент, выплавляемый на солнце. Когда и где звезды выковывают более тяжелые элементы?

Как ядерный синтез создает химические элементы?

Астрономы описывают звезды как содержащие водород, гелий и все остальное (с элементами тяжелее гелия, которые астрономы называют «металлами»), и эти другие элементы также играют роль в термоядерном синтезе.

Однако PPI не является основной реакцией синтеза в более массивных звездах, чем Солнце. Вместо этого большая часть энергии этих звезд поступает из цикла углерод-азот-кислород (CNO), для запуска которого требуются более высокие температуры более массивных звезд.

Цикл CN начинается с использования ядра атома углерода-12 в качестве катализатора — элемента, ускоряющего реакцию, но остающегося неизменным в конце ее — для синтеза. Углерод-12 за счет захвата протона проходит различные этапы, пока не испускается атом гелия и не восстанавливается углерод-12. Цикл NO аналогичен, но использует азот-14 в качестве катализатора.

Энергия, генерируемая термоядерным синтезом, служит жизненно важной цели внутри звезд, обеспечивая внешнее давление, которое уравновешивает шар плазмы против внутренней силы гравитации. Это означает, что когда слияние прекращается, прекращается и внешнее давление; это приводит к коллапсу звезды, вздутию и потере ее внешних слоев.

Для звезд более массивных, чем Солнце — которые закончат свою жизнь как тлеющий белый карлик — этот гравитационный коллапс создает достаточное давление, чтобы вызвать ядерный синтез гелия, созданный временем жизни главной последовательности в его ядре, сплавляя его с образованием углерода, неон и кислород.

Когда гелий истощается, снова происходит коллапс, запускающий синтез еще более тяжелых элементов. По мере того как это продолжается, у звезды развивается луковичная структура, в которой более легкие элементы сливаются во внешних слоях, а затем более тяжелые элементы создаются ближе к ядру.

Солнце крупным планом, показывающее активность солнечной поверхности и корону. (Изображение предоставлено: DrPixel/Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Эта последовательность ядерного синтеза заканчивается даже для самых массивных звезд, когда в звездном ядре преобладает железо. Это связано с тем, что железо является чрезвычайно стабильным элементом, а звезды недостаточно массивны, чтобы вызвать его синтез.

Когда весь ядерный синтез прекращается, звезда подвергается окончательному и катастрофическому гравитационному коллапсу. Это запускает сверхновую, которая выбрасывает во Вселенную элементы, которые звезда выковала за время своей жизни.

Этот материал этих мертвых звезд становится строительным материалом для следующего поколения звезд, планет и всего вокруг нас, включая наши собственные человеческие тела.

Кроме того, ударные волны от сжимающегося железного ядра — которое в конечном итоге породит нейтронную звезду или даже черную дыру — поражает газ, выделяемый сверхновой, вызывая дальнейший ядерный синтез, создавая элементы тяжелее железа и радиоактивные материалы, а также испуская рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Доставить энергию ядерного синтеза на Землю

Человечество не может доставить ядра звезд на Землю, поэтому следующая лучшая задача — воспроизвести плотный газ плазмы, обнаруженный в сердце Солнца.

Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи здесь, на Земле, — ядерные термоядерные реакторы — называются токамаками. Токамаки часто также называют «искусственными солнцами» из-за того, что эти машины в форме пончиков воспроизводят процессы, происходящие на солнце.

Внутренняя часть токамака ядерного термоядерного реактора. (Изображение предоставлено: Монти Ракусен/Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

В настоящее время по всему миру эксплуатируется более 200 токамаков, и научные достижения, достигнутые в этих устройствах, составляют дорожную карту для работы Международного термоядерного экспериментального реактора, или ИТЭР (открывается в новой вкладке) , Крупнейший в мире термоядерный эксперимент строится на юге Франции.

Коммерческий токамак будет использовать тепловую энергию плазмы, нагретой термоядерным синтезом, для нагрева воды, создания пара и, в свою очередь, вращения турбины, вырабатывающей электричество.

Хотя синтез может включать множество химических элементов, ядерная реакция, которую большинство токамаков стремится сделать жизнеспособной, представляет собой синтез тяжелых изотопов водорода дейтерия (с ядром из одного протона и одного нейтрона) и трития (один протон и два нейтрона). ). Слияние атомов этих элементов вместе создает нейтрон и ядро гелия.

СВЯЗАННЫЕ ИСТОРИИ:

Одним из факторов, делающих термоядерный синтез таким многообещающим источником энергии, является тот факт, что дейтерий легко извлекается из обычной морской воды. Международное атомное агентство (МАГАТЭ) оценивает , что из 0,26 галлона (одного литра) воды можно извлечь достаточно дейтерия, чтобы обеспечить столько же энергии, сколько при сгорании 79 галлонов (300 литров) нефти. Это означает, что в океанах содержится достаточно дейтерия, чтобы поддерживать потребности человечества в термоядерной энергии в течение миллионов лет.

Тритий, с другой стороны, может быть получен из лития, также распространенного в природе.

В дополнение к этому, основные побочные продукты термоядерного синтеза, нейтроны и гелий, не радиоактивны и, таким образом, не создают тех же проблем с утилизацией, что и побочный продукт ядерных установок деления — при этом деление является почти зеркальным отражением синтеза, разрушая большие атомы распадаются на более мелкие, часто радиоактивные атомы.

Побочные продукты термоядерного синтеза также не оказывают значительного воздействия на окружающую среду, в отличие от парниковых газов, образующихся при сжигании ископаемого топлива — основного фактора, способствующего антропогенному изменению климата.

Вопрос в том; если термоядерная энергия так хороша, почему у нас ее еще нет?

Почему у нас еще нет термоядерных реакторов?

Процессы синтеза нелегко воспроизвести здесь, на Земле, отчасти потому, что для преодоления отталкивания между положительно заряженными атомными ядрами водорода необходимы огромные силы гравитации внутри звезд.

Это невероятное гравитационное давление невозможно воспроизвести здесь, на Земле, поэтому вместо этого конструкторы токамаков должны создавать термоядерный синтез в плазме при невероятно высоких температурах, значительно превышающих температуры в центре Солнца, чтобы подгонять ядра достаточно близко для синтеза.

Целевая температура плазмы на токамаках составляет около 270 миллионов градусов по Фаренгейту (около 150 миллионов градусов по Цельсию). Это примерно в 100 раз выше температуры в ядре Солнца, около 27 миллионов градусов по Фаренгейту (15 миллионов градусов по Цельсию).

Текущий температурный рекорд токамака принадлежит китайскому токамаку EAST , который в конце 2021 года смог генерировать плазму с температурой около 216 миллионов градусов по Фаренгейту (120 миллионов градусов по Цельсию) в течение 101 секунды. За это время плазма ненадолго достигла максимальной температуры около 288 миллионов градусов по Фаренгейту (160 миллионов градусов по Цельсию).

Экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST), внутреннее обозначение HT-7U, экспериментальный сверхпроводящий токамак, магнитно-ядерный термоядерный энергетический реактор, в Хэфэй, провинция Аньхой, центральный Китай, понедельник, 15 апреля 2019 г.. (Изображение предоставлено Mu Chen/Future Publishing через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Экстремальные температуры — не единственное, что токамаки должны генерировать, чтобы воспроизвести гравитационное влияние солнца. Необходимо удерживать перегретую плазму, и для этого токамаки используют невероятно мощные магнитные поля. В настоящее время для создания этих полей требуется больше энергии, чем ученые могут получить при термоядерном синтезе.

Рекорд по выработке термоядерной энергии здесь, на Земле, был установлен Объединенной лабораторией European Torus (JET) в Оксфордшире, Англия, в феврале 2022 года. Токамак смог произвести 59мегаджоулей энергии с использованием топливной смеси дейтерия и трития в эксперименте, который длился чуть более пяти секунд .

Любой токамак, стремящийся удовлетворить фактические потребности в энергии, должен будет поддерживать перегретую плазму в течение гораздо более длительного времени, чем это, с основной целью создания самоподдерживающейся плазмы.

Если все пойдет по плану, ИТЭР станет первым термоядерным реактором, производящим чистую энергию, что означает производство большего количества энергии, чем требуется для генерации перегретой плазмы и удержания ее в мощном магнитном поле.

Дополнительные ресурсы

Что такое токамаки, устройства, содержащие перегретую плазму для получения термоядерного синтеза? Подробнее читайте на сайте Министерства энергетики США (открывается в новой вкладке).

Библиография

«Что такое ядерный синтез? (открывается в новой вкладке)» МАГАТЭ (2022 г.).

«Министерство энергетики объясняет… реакции ядерного синтеза (открывается в новой вкладке)». Управление науки Министерства энергетики США (2022 г.).

«Введение в Солнце и звезды (откроется в новой вкладке)». Джонс. М.Х. & Зеленый. С. Ф. (2003). Издательство Кембриджского университета.

«Звездная эволюция и нуклеосинтез (открывается в новой вкладке)». Райан. С. Г. и Нортон. А.Дж. (2010). Издательство Кембриджского университета.

«60 лет прогресса (откроется в новой вкладке)». ИТЭР (2022 г.).

«Солнце и ядерный синтез (открывается в новой вкладке)». Университет Западного Вашингтона (2022 г.).

«Старые звезды (открывается в новой вкладке)». СТРЕМИТЕСЬ (2022).

«Запись энергии термоядерного синтеза демонстрирует будущее силовой установки (открывается в новой вкладке)». GOV.UK (2022).

Следуйте за нами в Твиттере @Spacedotcom (открывается в новой вкладке) или Facebook (открывается в новой вкладке) .

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Роберт Ли – научный журналист из Великобритании, чьи статьи были опубликованы в журналах Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek и ZME Science. Он также пишет о научной коммуникации для Elsevier и European Journal of Physics. Роб имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании. Подпишитесь на него в Твиттере @sciencef1rst.

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.

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 путеводитель 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, который происходит, когда 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 9.0195 2 уравнение, в котором говорится, что масса может превращаться в чистую энергию и наоборот. (Здесь E означает энергию. M означает массу. C — постоянное число, означающее скорость света в вакууме.)

Иллюстрация машины ИТЭР, которая, если все пойдет 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 солнцу удается так легко осуществлять 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, состояние вещества, 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. 0003

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).

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, а его сметная стоимость (которая утроилась и составила около 22 миллиардов долларов) увеличивается.

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 доли 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.

Однако, есть также большая вероятность, что никому не удастся получить 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 сжимать: Если вы не будете сжимать плазму со всех сторон идеально 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.

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 безопасного, и синтез не исключение. Вот некоторые из рисков.

Радиоактивность, вызванная нейтронами: Реакции синтеза производят нейтроны высокой энергии, которые сами по себе не радиоактивны. Однако они ударяют по стенкам реактора с такой энергией, что стены 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.

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 их 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 опасно 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.

Помогите нам достичь нашей цели

В нашем недавнем опросе читателей мы были рады услышать, что люди ценят Vox, потому что мы помогаем им обучать себя и свои семьи, пробуждаем их любопытство, объясняем момент и делаем нашу работу доступной.