Что такое термоядерная установка

Что такое термоядерная установка

Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку — прекрасная идея. «Но проблема в том, что мы не знаем, как создать такую коробку», — говорил нобелевский лауреат Пьер Жиль де Жен в 1991 году. Однако к середине 2018 года мы уже знаем как. И даже строим. Лучшие умы мира трудятся над проектом международного экспериментального термоядерного реактора ITER — самого амбициозного и дорогого эксперимента современной науки.

Такой реактор стоит в пять раз больше, чем Большой адронный коллайдер. Над проектом работают сотни ученых по всему миру. Его финансирование запросто может перевалить за 19 млрд евро, а первую плазму по реактору пустят только в декабре 2025 года. И несмотря на постоянные задержки, технологические трудности, недостаточное финансирование со стороны отдельных стран-участниц, самый большой в мире термоядерный «вечный двигатель» строится. Преимуществ у него куда больше, чем недостатков. Каких? Рассказ о самой грандиозной научной стройке современности начинаем с теории.

Что такое токамак?

Под действием огромных температур и гравитации в глубинах нашего Солнца и других звезд происходит термоядерный синтез. Ядра водорода сталкиваются, образуют более тяжелые атомы гелия, а заодно высвобождают нейтроны и огромное количество энергии.

Современная наука пришла к выводу, что при наименьшей исходной температуре наибольшее количество энергии производит реакция между изотопами водорода — дейтерием и тритием. Но для этого важны три условия: высокая температура (порядка 150 млн градусов по Цельсию), высокая плотность плазмы и высокое время ее удержания.

Дело в том, что создать такую колоссальную плотность, как у Солнца, нам не удастся. Остается только нагревать газ до состояния плазмы посредством сверхвысоких температур. Но ни один материал не способен вынести соприкосновения со столь горячей плазмой. Для этого академик Андрей Сахаров (с подачи Олега Лаврентьева) в 1950-е годы предложил использовать тороидальные (в виде пустотелого бублика) камеры с магнитным полем, которое удерживало бы плазму. Позже и термин придумали — токамак.

Современные электростанции, сжигая ископаемое топливо, конвертируют механическую мощность (кручения турбин, например) в электричество. Токамаки будут использовать энергию синтеза, абсорбируемую в виде тепла стенками устройства, для нагрева и производства пара, который и будет крутить турбины.

Небольшие экспериментальные токамаки строились по всему миру. И они успешно доказали, что человек может создать высокотемпературную плазму и удерживать ее некоторое время в стабильном состоянии. Но до промышленных образцов еще далеко.

Преимущества и недостатки термоядерных реакторов

Типичные ядерные реакторы работают на десятках тонн радиоактивного топлива (которые со временем превращаются в десятки тонн радиоактивных отходов), тогда как термоядерному реактору необходимы лишь сотни грамм трития и дейтерия. Первый можно вырабатывать на самом реакторе: высвобождающиеся во время синтеза нейтроны будут воздействовать на стенки реактора с примесями лития, из которого и появляется тритий. Запасов лития хватит на тысячи лет. В дейтерии тоже недостатка не будет — его в мире производят десятками тысяч тонн в год.

Термоядерный реактор не производит выбросов парниковых газов, что характерно для ископаемого топлива. А побочный продукт в виде гелия-4 — это безвредный инертный газ.

К тому же термоядерные реакторы безопасны. При любой катастрофе термоядерная реакция попросту прекратится без каких-либо серьезных последствий для окружающей среды или персонала, так как нечему будет поддерживать реакцию синтеза: уж слишком тепличные условия ей необходимы.

Однако есть у термоядерных реакторов и недостатки. Прежде всего это банальная сложность запуска самоподдерживающейся реакции. Ей нужен глубокий вакуум. Сложные системы магнитного удержания требуют огромных сверхпроводящих магнитных катушек.

И не стоит забывать о радиации. Несмотря на некоторые стереотипы о безвредности термоядерных реакторов, бомбардировку их окружения нейтронами, образующимися во время синтеза, не отменить. Эта бомбардировка приводит к радиации. А потому обслуживание реактора необходимо проводить удаленно. Забегая вперед, скажем, что после запуска непосредственным обслуживанием токамака ITER будут заниматься роботы.

К тому же радиоактивный тритий может быть опасен при попадании в организм. Правда, достаточно будет позаботиться о его правильном хранении и создать барьеры безопасности на всех возможных путях его распространения в случае аварии. К тому же период полураспада трития — 12 лет.

Когда необходимый минимальный фундамент теории заложен, можно перейти и к герою статьи.

Самый амбициозный проект современности

В 1985 году в Женеве состоялась первая за долгие годы личная встреча глав СССР и США. До этого холодная война достигла своего пика: сверхдержавы бойкотировали Олимпиады, наращивали ядерный потенциал и на какие-либо переговоры идти не собирались. Этот саммит двух стран на нейтральной территории примечателен и другим важным обстоятельством. Во время него генсек ЦК КПСС Михаил Горбачев предложил реализовать совместный международный проект по развитию термоядерной энергетики в мирных целях.

Спустя год между американскими, советскими, европейскими и японскими учеными было достигнуто соглашение по проекту, началась проработка концептуального дизайна крупного термоядерного комплекса ITER. Проработка инженерных деталей затянулась, США то выходили, то возвращались в проект, к нему со временем присоединились Китай, Южная Корея и Индия. Участники разделяли обязанности по финансированию и непосредственным работам, а в 2010 году наконец стартовала подготовка котлована под фундамент будущего комплекса. Его решили строить на юге Франции возле города Экс-ан-Прованс.

Так что же такое ITER? Это огромный научный эксперимент и амбициозный энергетический проект по строительству самого большого токамака в мире. Сооружение должно доказать возможность коммерческого использования термоядерного реактора, а также решить возникающие физические и технологические проблемы на этом пути.

Из чего состоит реактор ITER?

Токамак — это тороидальная вакуумная камера с магнитными катушками и криостатом массой в 23 тыс. тонн. Как уже понятно из определения, у нас есть камера. Глубокая вакуумная камера. В случае с ITER это будет 850 кубометров свободного объема камеры, в котором на старте будет всего 0,1 грамма смеси дейтерия и трития.

На внутренних стенках камеры расположены специальные модули, которые называют бланкетами. Внутри них циркулирует вода. Вырывающиеся из плазмы свободные нейтроны попадают в эти бланкеты и тормозятся водой. Из-за чего она нагревается. Сами бланкеты защищают всю остальную махину от теплового, рентгеновского и уже упомянутого нейтронного излучения плазмы.

Такая система необходима для того, чтобы продлить срок работы реактора. Каждый бланкет весит порядка 4,5 тонны, их будет менять роботизированная рука примерно раз в 5—10 лет, так как этот первый ряд обороны будет подвержен испарению и нейтронному излучению.

Но это далеко не все. К камере присоединяется внутрикамерное оборудование, термопары, акселерометры, уже упомянутые 440 блоков бланкетной системы, системы охлаждения, экранирующий блок, дивертор, магнитная система из 48 элементов, высокочастотные нагреватели плазмы, инжектор нейтральных атомов и т. д. И все это находится внутри огромного криостата высотой 30 метров, имеющего такой же диаметр и объем 16 тыс. кубометров. Криостат гарантирует глубокий вакуум и ультрахолодную температуру для камеры токамака и сверхпроводящих магнитов, которые охлаждаются жидким гелием до температуры –269 градусов по Цельсию.

Производство всего этого оборудования разделено между странами-участницами. Например, над частью бланкетов работают в России, над корпусом криостата — в Индии, над сегментами вакуумной камеры — в Европе и Корее.

Но это отнюдь не быстрый процесс. К тому же права на ошибку у конструкторов нет. Команда ITER сперва моделирует нагрузки и требования к элементам конструкции, их испытывают на стендах (например, под воздействием плазменных пушек, как дивертор), улучшают и дорабатывают, собирают прототипы и опять тестируют перед тем, как выдать финальный элемент.

Но одно дело собрать. И совсем другое — все это обслуживать. Из-за высокого уровня радиации доступ к реактору заказан. Для его обслуживания разработано целое семейство роботизированных систем. Часть будет менять бланкеты и кассеты дивертора (весом под 10 тонн), часть — управляться удаленно для устранения аварий, часть — базироваться в карманах вакуумной камеры с HD-камерами и лазерными сканерами для быстрой инспекции. И все это необходимо делать в вакууме, в узком пространстве, с высокой точностью и в четком взаимодействии со всеми системами. Задачка посложнее ремонта МКС.

Причем это только часть оборудования самого реактора. Добавьте сюда здание криокомбината, где будут вырабатывать жидкий азот и гелий, здание выпрямителей магнитной системы с трансформаторами, трубопроводы системы охлаждения (диаметром по 2 метра), систему сброса тепла с 10 вентиляторными градирнями и многое-многое другое. На все это и идут миллиарды.

Зачем нужен ITER и кто за него платит?

Токамак ITER станет первым термоядерным реактором, который будет вырабатывать больше энергии, чем необходимо для нагрева самой плазмы. К тому же он сможет поддерживать ее в стабильном состоянии намного дольше ныне существующих установок. Ученые утверждают, что именно для этого и нужен столь масштабный проект.

С помощью такого реактора специалисты собираются преодолеть разрыв между нынешними небольшими экспериментальными установками и термоядерными электростанциями будущего. Например, рекорд по термоядерной мощности был установлен в 1997 году на токамаке в Британии — 16 МВт при затраченных 24 МВт, тогда как ITER конструировали с прицелом на 500 МВт термоядерной мощности от 50 МВт вводимой тепловой энергии.

На токамаке будут испытаны технологии нагрева, контроля, диагностики, криогеники и дистанционного обслуживания, то есть все методики, необходимые для промышленного образца термоядерного реактора.

Объемов мирового производства трития будет недостаточно для электростанций будущего. А потому на ITER отработают также технологию размножающегося бланкета, содержащего литий. Из него под действием термоядерных нейтронов и будут синтезировать тритий.

Однако не стоит забывать, что это пускай и дорогой, но эксперимент. Токамак не будет оборудован турбинами или другими системами конвертации тепла в электричество. То есть коммерческого выхлопа в виде непосредственной генерации энергии не будет. Почему? Потому что это только усложнило бы проект с инженерной точки зрения и сделало бы его еще более дорогим.

Схема финансирования довольно запутанная. На стадии строительства, создания реактора и прочих систем комплекса примерно 45% расходов несут страны Евросоюза, остальные участники — по 9%. Однако бóльшая часть взносов — это «натура». Большинство компонентов поставляются в ITER напрямую от стран-участниц.

Они прибывают во Францию по морю, а из порта к стройплощадке доставляются по дороге, специально переделанной французским правительством. На 104 км «Пути ITER» страна потратила 110 млн евро и 4 года работы. Трасса была расширена и усилена. Дело в том, что до 2021 года по ней пройдут 250 конвоев с огромными грузами. Самые тяжелые детали достигают 900 тонн, самые высокие — 10 метров, самые длинные — 33 метра.

Пока ITER не ввели в эксплуатацию. Однако уже существует проект электростанции DEMO на термоядерном синтезе, задача которой как раз и продемонстрировать привлекательность коммерческого использования технологии. Этот комплекс должен будет непрерывно (а не импульсно, как ITER) генерировать 2 ГВт энергии.

Сроки реализации нового глобального проекта зависят от успехов ITER, но по плану 2012 года первый пуск DEMO произойдет не раньше 2044 года.

Читайте также:

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!

Источник



Термоядерная установка

Ученые нашей страны и большинства развитых стран мира уже много лет занимаются проблемой использования термоядерных реакций для целей энергетики. Созданы уникальные термоядерные установки – сложнейшие технические устройства, предназначенные для изучения возможности получения колоссальной энергии, которая выделяется пока лишь при взрыве водородной бомбы. Ученые хотят научиться контролировать ход термоядерной реакции – реакции соединения тяжелых ядер водорода (дейтерия и трития) с образованием ядер гелия при высоких температурах, – чтобы использовать выделяющуюся при этом энергию в мирных целях, на благо людям.

В литре водопроводной воды содержится совсем немного дейтерия. Но если этот дейтерий собрать и использовать как топливо в термоядерной установке, то можно получить энергии столько, сколько от сжигания почти 300 килограммов нефти. А для обеспечения энергией, которую сейчас получают при сжигании обычного топлива, добываемого за год, потребовалось бы извлечь дейтерий из воды, содержащейся в кубе со стороной всего 160 метров. Одна река Волга ежегодно несет в Каспийское море около 60000 таких кубов воды.

Для осуществления термоядерной реакции необходимо соблюдение нескольких условий. Так, температура в зоне, где происходит соединение тяжелых ядер водорода, должна составлять примерно 100 миллионов градусов. При такой огромной температуре речь идет уже не о газе, а о плазме. Плазма – это такое состояние вещества, когда при высоких температурах газа нейтральные атомы теряют принадлежащие им электроны и превращаются в положительные ионы. По-другому, плазма – смесь свободно движущихся положительных ионов и электронов. Второе условие состоит в необходимости поддерживать в зоне реакции плотность плазмы не ниже 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре. И, наконец, главное и самое трудное, – надо удержать ход термоядерной реакции хотя бы не меньше одной секунды.

Рабочая камера термоядерной установки – тороидальная, похожа на огромный пустотелый бублик. Она заполнена смесью дейтерия и трития. Внутри самой камеры создается плазменный виток – проводник, по которому пропускают электрический ток силой около 20 миллионов ампер.

Электрический ток выполняет три важные функции. Во-первых, он создает плазму. Во-вторых, разогревает ее до ста миллионов градусов. И, наконец, ток создает вокруг себя магнитное поле, то есть окружает плазму магнитными силовыми линиями. В принципе силовые линии вокруг плазмы должны были бы удержать ее в подвешенном состоянии и не дать плазме возможность соприкоснуться со стенками камеры Однако удержать плазму в подвешенном состоянии не так просто. Электрические силы деформируют плазменный проводник, не обладающий прочностью металлического проводника. Он изгибается, ударяется о стенку камеры и отдает ей свою тепловую энергию. Для предотвращения этого поверх тороидальной камеры надевают еще катушки, создающие в камере продольное магнитное поле, оттесняющее плазменный проводник от стенок. Только и этого оказывается мало, поскольку плазменный проводник с током стремится растянуться, увеличить свой диаметр. Удержать плазменный проводник от расширения призвано также магнитное поле, которое создается автоматически, без посторонних внешних сил. Плазменный проводник помещают вместе с тороидальной камерой еще в одну камеру большего размера, сделанную из немагнитного материала, обычно меди. Как только плазменный проводник делает попытку отклониться от положения равновесия, в медной оболочке по закону электромагнитной индукции возникает индукционный ток, обратный по направлению току в плазме. В результате появляется противодействующая сила, отталкивающая плазму от стенок камеры.

Читайте также:  Сифон дренажный для установки

Удерживать плазму от соприкосновения со стенками камеры магнитным полем предложил в 1949 году А.Д. Сахаров, а немного позже американец Дж. Спитцер.

В физике принято давать названия каждому новому типу экспериментальных установок. Сооружение с такой системой обмоток именуется токамаком – сокращение от «тороидальная камера и магнитная катушка».

В 1970-е годы в СССР была построена термоядерная установка, названная «Токамак-10». Ее разработали в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова. На этой установке получили температуру плазменного проводника 10 миллионов градусов, плотность плазмы не ниже 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре и время удержания плазмы близко к 0,5 секунды. Крупнейшая на сегодня в нашей стране установка «Токамак-15» также построена в московском научном центре «Курчатовский институт».

Все созданные термоядерные установки пока лишь потребляют энергию на разогрев плазмы и создание магнитных полей. Термоядерная установка будущего должна, наоборот, выделять столько энергии, чтобы небольшую ее часть можно было использовать для поддержания термоядерной реакции, то есть подогрева плазмы, создания магнитных полей и питания многих вспомогательных устройств и приборов, а основную часть – отдавать для потребления в электрическую сеть

В 1997 году в Великобритании на токамаке JET достигли совпадения вложенной и полученной энергии. Хотя и этого, конечно, недостаточно для самоподдержания процесса: до 80 процентов полученной энергии теряется. Для того чтобы реактор работал, необходимо производить энергии в пять раз больше, чем тратится на нагревание плазмы и создание магнитных полей.

В 1986 году страны Европейского союза вместе с СССР, США и Японией решили совместными усилиями разработать и построить к 2010 году достаточно большой токамак, способный производить энергию не только для поддержания термоядерного синтеза в плазме, но и для получения полезной электрической мощности. Этот реактор назвали ITER, аббревиатура от – «международный термоядерный экспериментальный реактор». К 1998 году удалось завершить проектные расчеты, но из-за отказа американцев в конструкцию реактора пришлось вносить изменения, чтобы уменьшить его стоимость.

Можно позволить частицам двигаться естественным образом, а камере придать форму, повторяющую их траекторию. Камера тогда имеет довольно причудливый вид. Она повторяет форму плазменного шнура, возникающего в магнитном поле внешних катушек сложной конфигурации. Магнитное поле создают внешние катушки гораздо более сложной конфигурации, чем в токамаке. Устройства подобного рода называют стеллараторами. В нашей стране построен торсатрон «Ураган-3М». Этот экспериментальный стелларатор рассчитан на удержание плазмы, нагретой до десяти миллионов градусов.

В настоящее время у токамаков появились и другие серьезные конкуренты, использующие инерциальный термоядерный синтез. В этом случае несколько миллиграммов дейтерий-тритиевой смеси заключают в капсулу диаметром 1-2 миллиметра. На капсуле фокусируют импульсное излучение нескольких десятков мощных лазеров. В результате капсула мгновенно испаряется. В излучение надо вложить 2 МДж энергии за 5-10 наносекунд. Тогда световое давление сожмет смесь до такой степени, что может пойти реакция термоядерного синтеза. Выделившаяся энергия при взрыве, по мощности эквивалентного взрыву ста килограммов тротила, будет преобразовываться в более удобную для использования форму – например в электрическую. Экспериментальная установка такого типа (NIF) строится в США и должна начать работать в 2010 году.

Однако строительство стеллараторов и установок инерциального синтеза также наталкивается на серьезные технические трудности. Вероятно, практическое использование термоядерной энергии – вопрос не ближайшего будущего.

Читайте также

Установка (с. 1–10)

Установка (с. 1–10) Первые десять, в крайнем случае двенадцать страниц сценария называются «установочными». Для меня и для большинства читающей публики в Голливуде эта часть сценария имеет решающее значение: история должна захватить и увлечь меня, или я потеряю к ней

Установка для откачки воды – насосная установка

Установка для откачки воды – насосная установка Установка для откачки воды – насосная установка – устройство, состоящее из насосного агрегата, подводящего и отводящего трубопроводов, резервуаров для воды, приборов (контрольно-измерительные, автоматическое

Парогазотурбинная установка

Парогазотурбинная установка Парогазотурбинная установка – теплосиловая установка, совместно использующая в своем тепловом цикле два рабочих элемента – газы от сгорания топлива и водяной пар. Принципиальная конструкция парогазотурбинной установки включает газовую

Паросиловая установка

Паросиловая установка Паросиловая установка – установка, преобразующая тепло сжигаемого топлива в механическую энергию с помощью пара, механическую энергию в электрическую энергию – с помощью генераторов электрического тока. Это работа тепловой электростанции.

Энергетическая установка

Энергетическая установка Лодки «Gato» и «Balao» отличались своей энергетической установкой. Прежде всего, впервые после Первой мировой войны у американских субмарин паспортная мощность четырех 8-цилиндровых дизелей (каждый 1535л.с.) General Motors или Fairbanks-Morse соответствовала их

Установка через IP-KVM

Установка через IP-KVM Установка производится через предоставленный провайдером IP-KVM. Способ запуска зависит от используемого IP-KVM, например: Для загрузки сервера подключите к IP-KVM скачанный дистрибутив. В случае KVM в нашем примере, выберите Device/Redirect ISO: перезагрузите

Установка Windows

Установка Windows Существуют ключи для фоновой установки сервис-паков и патчей от Microsoft. Использование этих ключей может съэкономить время, отключая все эти "Далее, Принимаю условия, OK". -F принудительное закрытие всех приложений при перезагрузке-N не создавать папку для

Установка программы

Установка программы Программа Windows Live Messenger, скорее всего, уже установлена на вашем компьютере (проверьте: Пуск ? Все программы ? Windows Messenger).Но эта версия претерпела множество изменений, поэтому лучше найти и скачать новую версию программы с расширенными возможностями.

Источник

Что такое Токамак? Просто о термоядерном реакторе

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?

Внутри этой камеры температура поднимается до нескольких миллионов градусов Цельсия.

Что такое токамак

Само слово ”токамак” ничего не обозначает — это просто сокращение, которое потом стало полноценным словом. Его используют не только в России, но и за рубежом, так как именно в нашей стране эту штуку придумали и именно у нас они долгое время активно развивались.

Токамактороидальная камера с магнитными катушками. Только и всего.

Суть токамака сводится к тому, чтобы создать магнитное поле, в котором будет протекать реакция термоядерного синтеза. Так как температура такой реакции не просто высокая, а буквально запредельная (несколько миллионов градусов Цельсия), ее нельзя проводить просто внутри какой-то камеры — она расплавится задолго до достижения рабочей температуры.

Такая температура достигается из-за того, что внутри токамака вещество находится в четвертом агрегатном состоянии, которое достигается при таких высоких температурах. Такое состояние называется плазма.

Кто изобрел токамак

Первым, кто предложил использовать термоядерный синтез, в том числе и для промышленных целей, был советский физик О.А. Лаврентьев. Сделал он это в своей работе 1950 года. Именно с его работы началось изучение способов использования термоядерного синтеза.

О.А. Лаврентьев также является отцом водородной бомбы.

Спустя год другие физики — А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм — развили идею и сказали, что термоядерная реакция должна поддерживаться внутри замкнутой камеры тороидальной формы.

Тор (тороид) — представляет собой объемную фигуру, получающуюся в результате вращения кольца вокруг центра вращения. Грубыми примерами тора могут служить пончик, бублик или велосипедная камера, вынутая из колеса.

Термин для обозначение токамака был предложен учеником академика Курчатова — И.Н. Головиным. Правда, в его варианте это должен был быть ”Токамаг” (тороидальная камера магнитная), но позже стали использовать более благозвучное слово ”Токамак”.

А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм

Первый действующий токамак был построен в 1954 году, но до 1968 года они существовали только в СССР, так как мало кто верил в существование внутри камеры такой высокой температуры. Только после того, как в токамаке Т-3 в Институте атомной энергии им И.В. Курчатов побывали английские ученые и на своем оборудовании подтвердили существование температуры 11,6 миллиона градусов Цельсия, это привело к взрывному росту популярности и исследований в этом направлении в мире.

Токамак и сейчас считается самым перспективным способом получения энергии термоядерного синтеза и изучения плазмы, как агрегатного состояния вещества.

На Земле плазма в естественной среде встречается только в молнии и северном сиянии, в космосе из нее состоит буквально все — звезды, туманности, межзвездное пространство.

Как работает токамак

Для создания внутри токамака магнитного поля, он составляется из секций, внутри которых намотаны катушки. Так как они идут по всей длине камеры и создают что-то вроде замкнутого тоннеля, получающееся магнитное поле называют тороидальным. Это и есть рабочая зона установки.

Перед началом работы из камеры токамака откачивают воздух, а вместо этого заполняют его смесью дейтерия и трития. Они и являются основой реакции термоядерного синтеза.

Дейтерий — изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Тритий — изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов.

Преимущество использования этих двух элементов в том, что они очень дешевые. Дейтерий очень легко получается из воды, которой на нашей планете более чем достаточно, а тритий синтезируется пусть и чуть более сложным способом, но это тоже не является большой проблемой.

Когда камера заполнена, в ней создается вихревое электрическое поле, которое поддерживают плазму внутри камеры, а заодно разогревает ее, доводя до той самой температуры в несколько миллионов градусов.

Сейчас тут работают люди, а скоро будет 150 миллионов градусов.

Так как поле и нагрев создаются за счет увеличения тока в индукторе, а он не может увеличиваться бесконечно, время существования плазмы в стабильном состоянии пока не превышает нескольких секунд. Это и является главной причиной того, что мы пока не можем использовать токамаки в качестве источника промышленного получения энергии. Существую способы решения этой проблемы, в том числе с использованием микроволнового излучения, но пока работы в этом направлении еще ведутся.

Контакта стенок токамака с плазмой нет и поэтому они не плавятся, но они все равно испытывают серьезные нагрузки. Из-за этого стенки делаются из бериллия и нарезаются маленькими квадратными пластинками. Так им проще отводить тепло.

Впрочем, микроволновое излучение и так применяется внутри токамака, так как только электромагнитного поля недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции.

Обычная физика частиц четко говорит нам, что ядра с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Но при достижении сверхвысоких температур, они начинают вести себя иначе, образуя ядро гелия плюс один свободный нейтрон. Именно в этот момент и высвобождается огромное количество энергии. В обычных условиях она тратится на взаимодействие атомов между собой.

Самый большой термоядерный реактор

Конечно, можно сказать, что самый большой термоядерный реактор — это Солнце, но все это условно, есть звезды и побольше. Самый большой термоядерный реактор на Земле — это ”Международный экспериментальный термоядерный реактор” (ИТЭР или ITER). Он строится на юге Франции с 2007 года и, как и большой адронный коллайдер, является международным проектом.

Получение первой плазмы было намечено на 2020 год, а первого электричества в сети — на 2027 год, но сроки уже не выполняются из-за того, что в проекте много участников (каждый по-своему тормозит проект) и из-за того, что такого еще никто не делал.

Для того, чтобы описать его возможности, достаточно только сказать, что внутри него будет достигаться температура в 150 миллионов градусов Цельсия. Это в 10 раз больше, чем внутри солнечного ядра. Представить себе такие значения просто невозможно.

Кто строит токамак ITER.

Когда ИТЭР будет достроен (о чем мы обязательно расскажем в нашем новостном Telegram-канале), он станет основной изучения термоядерного синтеза для дальнейшего изучения этой реакции атомов, как потенциального источника энергии будущего.

Из интересных цифр ИТЭР можно отметить размер токамака, который составит 28 метров в диаметре и 28 метров в высоту. Проектная мощность составляет 0,5 ГВт (в 2,5 больше самого мощного из того, что есть сейчас). Магнитное поле составит 10 Тесла (магнитное поле Земли составляет 0,00005 Тесла).

Стоимость проекта составляет всего 15 миллиардов долларов. Для сравнения, на МКС потратили за 28 лет 53 миллиарда долларов, а на подготовку к ЧМ по футболу в Катаре в 2022 году — около 130 миллиардов долларов.

Безопасна ли реакция термоядерного синтеза

Главным преимуществом реакции термоядерного синтеза, проходящей внутри токамака, является ее безопасность. Можно удивиться, как такое возможно при достижении таких высоких температур, но это действительно так.

Все из-за того, что плотность плазмы в миллион раз меньше плотности атмосферы. Благодаря такой особенности работы, взрыв из-за внутреннего давления просто невозможен. Да и если температура начнет падать, плазма просто будет, как говорят физики, ”осыпаться”. Плюс, топливо подается в течение всей реакции и для ее остановки достаточно просто прекратить его подачу. Например, атомную станцию просто выключить нельзя и я уже рассказывал, почему.

Единственной опасностью является только то, что изотоп трития обладает небольшой радиоактивностью. Впрочем, она не такая высокая, чтобы переживать по этому поводу. Она существенно ниже, чем у топлива для атомной станции. Например, период полураспада уранового топлива составляет почти 5 миллиардов лет (то есть почти никогда), а трития — всего 12 лет. Да и используется его минимальное количество.

Всего 80 грамм смеси дейтерия и трития в токамаке выдают столько же энергии, сколько 1 000 тонн угля при сжигании. Вот и считайте.

А еще можно добавить, что технологию реакции термоядерного синтеза нельзя применить в военных целях. Создание плазмы вне токамака пока невозможно, а использование его самого в качестве оружия слабо осуществимо из-за того, что он не взрывается.

Почему энергию не получают из термоядерного синтеза

Несмотря на всю перспективность технологии и то, что о ней заговорили уже более 70 лет назад, пока не получается добиться промышленной работы таких устройств. До сих пор в них есть, что дорабатывать. Например, возможность продолжительной работы и дальнейшее повышение температуры плазмы.

Читайте также:  Ремень генератора фиат добло установка

Только представьте себе, как это маленькое солнце будет обеспечивать нас энергией в будущем.

Когда эта проблема будет решена, мы получим на Земле небольшой кусочек Солнца, и тогда можно будет говорить, что мы достигли совершенства в выработке энергии. Конечно, могут изобрести и другие еще более эффективные способы получения энергии, но именно термоядерный синтез сейчас может изменить очень многое. Самое главное, что мы получим не только возможность не выключать свет ради экономии.

Главным плюсом перехода на такой источник энергии является то, что когда вся энергия будет добываться именно из термоядерного синтеза, мы максимально снизим воздействие на нашу планету. Нам будет не нужно ископаемое топливо, мы обойдемся без атомных станций, а заодно пересядем на электрический транспорт и сможем существенно продлить жизнь нашей планете. Может, и улетать никуда не придется.

Источник

Термоядерный синтез: энергия будущего?

Управляемый термоядерный синтез — чудо, которое давно ждут и которое всё никак не станет реальностью. Ничего эффективнее построенной на термоядерном синтезе энергетики быть не может. После изобретения термоядерных электростанций энергии станет столько, что хватит всем, притом почти даром. Но титанические усилия учёных до сих пор не увенчались успехом, хотя бьются над этой проблемой уже больше полувека. Так достижимо ли термоядерное совершенство?

Энергия звёзд

Термоядерный синтез гелия из водорода — самая распространённая реакция во Вселенной. И самая эффективная в плане выхода энергии по отношению к массе использованного горючего. А ещё, вероятно, самая экономичная, поскольку во Вселенной вообще мало что есть, кроме водорода.

Если мы получаем энергию не путём термоядерного синтеза, то мы получаем её неоптимальным способом. Любой другой источник заведомо менее производителен, потребляет топливо, запасы которого (по сравнению с запасами водорода) ограничены, а зачастую оно ещё и отравляет окружающую среду отходами. У термоядерного реактора в этом отношении всё идеально, гелий-то не отход, а безвредный газ для воздушных шариков.

И всё же идея термоядерной энергетики не особо популярна у фантастов. Откуда берётся электроэнергия в процветающих мирах будущего, обычно не говорят вообще или упоминают какой-нибудь люксоген с дробной пространственной размерностью. Писатели интуитивно чуяли связанный с термоядерным синтезом подвох. Учёные же, напротив, долгое время принципиальных затруднений не предвидели.

Первыми спровоцировать термоядерные реакции пытались ещё учёные нацистской Германии. Немцы наивно надеялись вызвать детонацию тяжёлого водорода химической взрывчаткой и помещали дейтерий внутрь кумулятивной воронки (на фото — немецкий ядерный объект в 1945 году)

В 1950-x проблема казалась сложной, но разрешимой. Правда, в ту технооптимистичную эпоху «сложной, но разрешимой» считалась вообще любая задача, которую удалось чётко сформулировать. В 1960-е футурологи, опираясь на аналогию с ядерной и водородной бомбами, уверенно предсказывали, что эпоха термоядерной энергетики наступит через десять-пятнадцать лет после строительства первой АЭС. Физики не возражали.

Ни в 1970-е, ни в 1980-е водородные электростанции не появились. Но учёные не сомневались: промышленный синтез возможен даже с доступными технологиями, если их правильно применить.

К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Прогноз ухудшили до двадцати пяти лет. А в начале XXI столетия — до пятидесяти. Теоретические знания углубились настолько, что стало непонятно, с какой стороны подступиться к задаче.

Суть проблемы

На планете Плюк из фильма «Кин-дза-дза» кончилась вода, поскольку из неё делали луц — горючее для звездолётов. Логично предположить, что луц — это водород

Проблема в том, что реакции синтеза отличаются высоким порогом. Тяжёлое ядро урана норовит распасться само по себе, но протоны — ядра водорода — отталкиваются друг от друга кулоновской силой. Если сломить сопротивление одноимённых зарядов, то при слиянии частиц выделится несравненно больше энергии, чем затрачено. Но без первоначальных «вложений» не обойтись.

Казалось бы, мелочь. Ну порог, ну и что? С точки зрения физики высоких энергий это не порог, а курам на смех! Мощный ускоритель частиц не просто столкнёт протоны лбами, он расплющит их друг о друга в кварк-глюонную плазму! Но кварки нам не нужны. Так что берём синхротрон попроще и направляем пучок протонов на мишень из содержащего водород материала. Порог реакции будет преодолеваться, и в мишени начнётся синтез.

Термоядерный реактор ZETA, 1957 год

Электроядерные реакторы существуют несколько десятилетий и, кроме экспериментальных целей, применяются для производства ценных изотопов. Но вырабатывать энергию таким способом, увы, нельзя. Ядро атома водорода по сравнению с самим атомом очень мало, и попасть «ускоренным» протоном в яблочко мишени трудно. «Снаряд» просто увязнет в бесконечных электронных оболочках, растратив энергию на нагрев мишени, и никакой термоядерной реакции не произойдёт. Можно избавиться от электронов, пустив навстречу друг другу пучки полностью ионизированных частиц, но принципиально ситуацию это не изменит. Столкновения будут слишком редкими, чтобы выход от термоядерных реакций оправдал затраты на разгон частиц.

Термоядерный синтез окажется экономически целесообразным, только если реакция станет цепной: чтобы необходимая для преодоления барьера температура в камере сгорания достигалась за счёт самого синтеза ядер.

Что же касается «холодного» синтеза, о его «открытии» время от времени объявляют ещё с 1990-х. Изобретатели, правда, никогда не уточняют, какая именно из термоядерных реакций у них произошла. Ведь реакцию синтеза опознают по продуктам, вылетающим из активной зоны. Если при «холодном синтезе» нет радиации — значит, нет и синтеза.

Плазма

Вторая часть проблемы в том, что проводить протон-протонный синтез не только сложно, но и бессмысленно. При столкновении двух протонов рождается дейтрон — состоящее из протона и нейтрона ядро тяжёлого водорода, плюс позитрон и нейтрино. Львиную долю энергии уносит нейтрино, проходящее сквозь нашу планету, как свет сквозь стекло, и, как следствие, малопригодное для кипячения воды.

Вот и получается, что, хотя водорода во Вселенной много, экономике от него пользы никакой. В недрах Солнца протон-протонный синтез — лишь первый шаг водород-гелиевого цикла, ведь четыре ядра водорода сливаются в ядро гелия не разом, а в три приёма. Но для завершения цикла важно, чтобы промежуточные продукты синтеза — дейтерий и гелий-3 — не покидали зону реакции, а энергия, выделившаяся на предыдущем этапе, упрощала преодоление барьера реакции на следующем. Звёзды способны это обеспечить. Водород в их ядрах находится в сверхтвёрдой и сверхплотной («металлической») форме. Ядрам дейтерия и гелия-3 просто некуда деться!

Солнечные, приливные, ветровые и даже гидроэлектростанции используют энергию Солнца. То есть термоядерную. Так что именовать эти источники «возобновляемыми» неправильно. Никто новый водород на Солнце не подвозит!

Итак, имитация природных процессов — не наш путь. Разогретый до миллионов градусов металлический водород нельзя получить в лабораторных условиях. А если б и было можно, то миллиард лет выколачивать из него энергию по искре — идея сомнительная. Термоядерный реактор должен воспроизводить не будничное тление светил, а условия взрыва сверхновой, когда реакции идут при температуре, обеспечивающей преодоление кулоновского барьера при каждом столкновении.

Именно благодаря тому, что сердцевины звёзд состоят из твёрдого водорода, термоядерные реакции могут идти в них при температуре каких-то шесть миллионов градусов. Для преодоления кулоновского барьера этого не хватит. Однако некоторые ядра оказываются достаточно «горячи» для вступления в реакцию. Это редкость даже при огромном сжатии, потому-то звёзды и живут миллиарды лет. Излучение обычно уносит чуть больше энергии, чем выделяется в термоядерных реакциях. Если же баланс положительный, температура начинает расти, интенсивность синтеза увеличивается по экспоненте, и звезда вспыхивает, как сверхновая…

Конечно, удерживать разогретое до температуры 100 миллионов кельвинов вещество можно только в плазменной форме. Причём речь тут о плазме в том смысле, какой вкладывают в этот термин физики. Физическая плазма — не ионизированный газ, а четвёртое агрегатное состояние вещества, наблюдающееся при разрежении столь высоком, что взаимодействием частиц можно пренебречь. Плазма не подчиняется обычным для газа законам. В ней нет давления, она не нагревается при сжатии и, что особенно приятно, не стремится занять весь доступный объём. Ценой минимальных затрат её можно удерживать в магнитной ловушке в форме кольца. Независимо от температуры, ядра послушно будут бегать по кругу вблизи центральной оси откачанной трубы.

Тороидальная магнитная ловушка

Ситуация как будто парадоксальная. Нет взаимодействия — не может быть и столкновений, реакций синтеза и разогрева вещества. Но грань между плазмой и газом тонка. Скажем, хотя каждый кубический километр космической туманности представляет собой плазму, облако в целом живёт по законам газа. Туманность настолько велика, что молекула не может покинуть её пределы без взаимодействий с другими. Так и в магнитной ловушке при любой плотности вещество будет газом, ведь пробег бесконечен, и одна частица непременно столкнётся с другой. Притом с ростом температуры (а значит, и скорости, и расстояния, преодолеваемого частицей за единицу времени) будет расти и давление. В плоскости же поперечной линии движения частицы будут существовать по законам плазмы.

Проблемы топлива

Идею пылающего кольца, плотного в одном измерении и представляющего собой высокий вакуум в прочих, уже в 1950-х успешно воплотили в советских установках ТОКАМАК и американских стеллараторах, различающихся способами предварительного разогрева топлива. И в СССР, и в США в качестве термоядерного горючего использовали смесь дейтерия и трития, так как реакции с участием тяжёлого и сверхтяжёлого водорода возможны при меньшей, чем у других элементов, температуре.

Реакции-то начинались, но кольцо из-за перемены температуры и плотности теряло стабильность и рассеивалось. Всё же реакторы совершенствовались. Уже в конце 1970-х исследователи считали, что победа близка и «положительный выход» (при цепной реакции синтеза выделяется больше энергии, чем затрачено на её запуск) будет достигнут сразу, как только им выделят денег на новую, более дорогую, установку…

Новый ТОКАМАК (Казахстан)

Но нет, положительный выход достигнут не был. А в конце прошлого века даже у оптимистов возникло подозрение, что это и к лучшему. Проблема термоядерного синтеза заключалась в тритии. В случае синтеза с участием тяжёлого и сверхтяжёлого водорода 80% выделившейся энергии уносил рождающийся в реакции нейтрон.

Эти не имеющие заряда частицы сочетают высокую проникающую способность с исключительной зловредностью. С электронными оболочками атомов нейтроны не взаимодействуют, что позволяет им преодолевать десятки метров бетона и свинца. Попадая же в атомное ядро, нейтрон или разрушает его, или поглощается им, превращаясь в радиоактивный изотоп. А образующиеся в материале пузырьки газа приводят к потере прочности, деформации и разрушению стальных деталей. В лучшем случае после множества рикошетов нейтрон просто распадается и становится атомом водорода.

Персонал электростанции может укрыться от нейтронного излучения за бассейнами с водой (они в любом случае понадобятся для охлаждения), но защитить сам реактор от нейтронов не выйдет. А энергетическая установка, расходующая 80% выделяющейся энергии на саморазрушение, прослужит недолго.

Остальные 20% энергии обойдутся слишком дорого. Тритий не встречается в природе, его получают искусственно в ядерных реакторах поцене30 миллионов долларов за килограмм. А с учётом нейтронных потерь килограмм трития может заменить лишь три тысячи тонн нефти. Даже если «чёрное золото» вдруг подорожает до 1600 долларов за баррель, дейтерий-тритиевая энергетика не станет оправданной экономически. Ведь для получения трития всё равно требуются ядерные реакторы, потребляющие уран, а значит, электричество дешевле будет вырабатывать на АЭС.

Тритий радиоактивен, но при распаде его ядра выделяются лишь нейтрино и электрон. Последний так слаб, что вредит только если тяжёлый водород включился в состав тканей организма. Брелок с тритиевой подсветкой — это безопасно. Даже если его проглотить

Поскольку тритий как термоядерное горючее не выдерживает критики, надежды связывают с изотопом гелий-3. Порог его реакции с дейтерием существенно выше, поскольку два протона гелиевого ядра отталкивают третий со вдвое большей силой. Но продуктами синтеза оказываются ядро обычного гелия (альфа-частица) и протон, что уже даёт выигрыш впятеро благодаря отсутствию нейтронных потерь.

Кроме того, гелий-3, в отличие от трития, стабилен и встречается в природе. Его много на Луне. Ещё в 1980-х годах подсчитали, что доставка гелия с Луны на Землю экономически оправдана. Для покрытия годичных потребностей человечества в энергии потребуется всего сотня тонн этого газа. Другой вопрос, что добыча такого количества гелия-3 предполагает переработку миллиардов тонн лунного грунта. Так что пока выгоднее производить гелий-3 искусственно. Из трития. И это ставит под вопрос осмысленность разработки даже экспериментальных установок для термоядерных реакций с участием гелия.

Именно гелий-3 добывает на Луне герой фильма «Луна-2112»

По разным причинам изотопы первых двух химических элементов в любых комбинациях для энергетики будущего бесполезны. Как и при создании водородной бомбы, исследователи убедились, что только на третий элемент периодической таблицы — литий — можно положиться. Он безопасен, не производит нейтроны при синтезе и, в отличие от реакторных изотопов водорода и гелия, ничего не стоит.

Но в случае с литием уже три протона будут объединёнными силами отталкивать четвёртый! И эта разница — решающая. В тороидальном (в форме бублика) плазменном реакторе изотопы водорода горят на практике. Гелий… должен в теории. Литий же не должен вообще! При температуре детонации его ядер плазма не может иметь необходимую для цепной реакции плотность.

Термоядерный ракетный двигатель

Самый мощный и качественно лучший среди всех, что мы можем вообразить. В современном ионном двигателе ядерная энергия преобразуется в электрическую, а электрическая — в кинетическую энергию ускоренного полем ионизированного газа. В сопле термоядерной ракеты энергия синтеза превращается в кинетическую сразу. Рабочим телом служит продукт реакции — гелий, ускоренный термоядерным жаром до 40 000 км/с (13% от скорости света).

Импульсный реактор

Литий — ещё один кандидат в спасители термоядерного синтеза

То, что порог вступления лития в термоядерные реакции хоть и высок, но преодолим, экспериментально установлено больше полувека назад. Нужно только с умом взяться за дело. Если капсулу с дейтеридом лития сперва обжать близким ядерным взрывом, а потом, в момент, когда её объём сократится вдесятеро, подорвать внутри капсулы второй ядерный заряд, то на фронте столкновения ударных волн всё получится. И прежде чем брошенные навстречу друг другу атомы поймут, куда им разлетаться, термоядерный заряд успеет выгореть.

Читайте также:  Часы xiaomi установка времени

Поскольку выделившейся энергии не так-то просто покинуть зону реакции, синтез, невозможный в плазме, в сжатом веществе даже при относительно низкой температуре разгорается по цепному принципу. Не использовать такое преимущество глупо. Импульсные реакторы, в которых термоядерная энергия выделяется в процессе микровзрывов, начали разрабатывать одновременно с плазменными — ещё в 1950-х годах.

Долгое время, впрочем, было больше разговоров, чем реальных дел. Несмотря на примитивность общего замысла, сложность установки не отвечала технологиям прошлого века. Детонацию ведра лития, допустим, можно вызвать встречным взрывом пары атомных бомб. Но чем с достаточной силой ударить по весящей одну сотую грамма крупице термоядерного горючего?!

Целевая камера на National Ignition Facility (NIF)

Двухметровая в поперечнике сфера, внутренняя поверхность которой полностью состоит из «стволов» направленных к центру лазеров, сама по себе фантастична. Но ещё фантастичнее принцип действия импульсного реактора. Залп световых пушек должен не обратить в пар (что легко представить), а, напротив, стиснуть, обжать давлением излучения трёхмиллиметровую топливную таблетку до диаметра в миллиметр или меньше.

Картина эта так поражала воображение, что половина исследователей, засев за вычисления, на всякий случай поспешила покрепче обосновать теоретическую невозможность работы построенного на безумном принципе реактора. Другая же половина упорно пыталась импульсную установку создать — и тоже преуспела. В 2013 году в Калифорнии на реакторе NIF был достигнут «положительный выход», так и оставшийся недосягаемым для плазменных реакторов.

Праздновать победу тем не менее рано. Дело не только в том, что в качестве топливных таблеток NIF использовали стеклянные шарики с дейтерий-тритиевым льдом, а потому превысившая затраты на лазерный импульс энергия выделилась в форме быстрых нейтронов, не имеющих ценности. Добившись успеха с водородом, можно будет перейти к экспериментам с гелием, а затем и с литием, заменив лазеры на более эффективные циклические ускорители…

Уголь будущего: сподумен — прозрачный минерал, содержащий литий

Но на этом этапе в полный рост встаёт четвёртая проблема термоядерного синтеза. Как преобразовывать выделяющуюся в активной зоне энергию в электричество, неведомо никому. Выпущенные на волю силы микромира порождают слишком «жёсткое» для использования в мирных целях излучение.

Если, как в нынешних электростанциях, химическое или ядерное пламя нагревает стенки котла с водой, давление пара будет вращать лопасти турбины. Но быстрые нейтроны просто пройдут сквозь котёл! Основной же продукт «безнейтронного» синтеза — альфа-частицы — отличает, напротив, низкая пробивная, зато огромная разрушительная сила. Рождённое в активной зоне ядро гелия не отскочит от стенки — оно вонзится в преграду, обратив вещество в пар и образовав кратер!

Одно время модно было твердить, что «проблема термоядерной энергетики — это проблема создания новых материалов», но постепенно возобладало иное мнение. По законам нашей Вселенной материалы, без вреда поглощающие быстрые нейтроны и не тающие под градом релятивистских альфа-частиц, существовать не должны. А значит, проблема не в них, а во Вселенной. Та просто не приспособлена для термоядерных реакторов существующих ныне типов!

Перспектива

В наши дни исследования в области управляемого термоядерного синтеза продолжаются с успехом и полным осознанием того, что цель недостижима методами, которые мы сейчас можем вообразить. В таких ситуациях люди обычно говорят: «Не больно-то и хотелось!» — и ищут иное применение своим талантам. Но здесь не тот случай. Термоядерная энергия — настолько значимый для человечества приз, что работает другой принцип: «Если нельзя, но очень хочется, то можно».

А хочется очень! Только термоядерная энергия позволит колонизировать Солнечную систему, переправляя грузы на Марс не тоннами, а миллионами тонн, перегоняя на околоземную орбиту железоникелевые астероиды и добираясь до спутников Нептуна за три-четыре месяца.

В фильме «Железное небо» земные сверхдержавы передрались за гелий-3

Энергия синтеза, которую можно получать без ограничений (лития не так много, как водорода, но достаточно), полностью изменит и Землю. Станут возможными глобальные проекты, скажем, по очистке атмосферы от избытка парниковых газов, накопившихся в эпоху углеводородной энергетики.

Углекислый газ из атмосферы в любом случае придётся изымать, одновременно повышая плотность отражающей солнечный свет облачности. Ведь неограниченное производство электроэнергии, большей частью переходящей в тепло, обязательно приведёт к перегреву планеты. Но новые, немыслимые сейчас, возможности термоядерной эры наверняка позволят сгладить остроту проблем, ими же порождённых.

Источник

Создать термоядерный реактор на Земле реально. Какие будут последствия?

Ученые, разрабатывающие компактную версию термоядерного реактора, показали в серии исследовательских работ, что он все-таки может работать. В семи рецензируемых статьях, опубликованных во вторник в специальном выпуске The Journal of Plasma Physics, исследователи изложили доказательства того, что проект SPARC добьется успеха и будет производить в 10 раз больше энергии, чем потребляет. Это возродило надежды, что у людей получится имитировать процесс выработки энергии Солнцем. Рассказываем, почему человечеству необходим термоядерный синтез и спасет ли человечество этот проект.

Зачем нужна термоядерная энергия?

Чтобы предотвратить повышение глобальной температуры более чем на 1,5 градуса по Цельсию в этом веке, международному сообществу придется сократить выбросы углерода на 45% к 2030 году и до нуля к середине века. Между тем, количество выбросов продолжает расти с каждым годом, и процесс этот лишь ускоряется. Сухие цифры: в 2017 рост составил 1,6%, а в 2018 году достиг рекордного уровня, увеличившись на на 2,7%. Что еще хуже — глобальный спрос на энергию, по прогнозам, вырастет примерно на 27% к 2040 году, или на 3 743 млн тонн нефтяного эквивалента (мтнэ). Тонна нефтяного эквивалента является единицей энергии и определяется как количество энергии, выделяющейся при сжигании одной тонны из сырой нефти.

А что, если бы было одно энергетическое решение, которое могло бы решить все эти насущные проблемы? Хотя это звучит фантастически, оно существует.

Одна из самых мощных форм энергии, которую мы используем сегодня, — это ядерная энергия. Хотя современная атомная энергетика чрезвычайно эффективна и создает нулевые выбросы углерода, у нее есть много недостатков, и они серьезные: потенциальные ядерные расплавы и радиоактивные отходы, которые остаются опасными в течение тысяч лет.

Но есть способ получше.

Что такое термоядерный синтез и как его применить на Земле?

Все нынешние ядерные реакторы работают с использованием ядерного деления, процесса расщепления атомов для получения энергии. В течение многих лет ученые задавались вопросом, как мы можем использовать обратный процесс — ядерный синтез, который «приводит в действие» Солнце, соединяя атомы вместе — для удовлетворения растущих потребностей в энергии на Земле. Сам термоядерный синтез является сверхмощным процессом, в несколько раз более мощным, чем деление, и не приводит к образованию ядерных отходов, поскольку его топливом является не уран или плутоний, а водород. По сути, в случае успеха разработки термоядерного реактора, ученые создадут «мини-солнце» на Земле.

«Достижение контролируемых термоядерных реакций, которые потребляют больше энергии, чем требуется для их генерации, и в промышленных масштабах рассматривается как потенциальный ответ на изменение климата», — объясняет научный корреспондент Натаниэль Гроневольд для Scientific American. «Энергия термоядерного синтеза устранит потребность в ископаемом топливе и решит проблемы прерывистости и надежности, присущие возобновляемым источникам энергии. Энергия будет генерироваться без опасного количества излучения, которое вызывает беспокойство по поводу ядерной энергии деления».

Официальные лица Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), многонационального проекта, базирующегося на юге Франции, объявили, что теперь они находятся всего в 6,5 лет от «Первой плазмы», что является исторической вехой. Согласно пресс-релизу на этой неделе, проект ИТЭР, поддерживаемый консорциумом из 35 стран, в настоящее время завершен на 65%. Недавно установленная секция — основание криостата и нижний цилиндр — прокладывает путь для установки токамака, технологической конструкции, выбранной для размещения мощного магнитного поля, которое будет окружать ядро ​​термоядерного синтеза сверхгорячей плазмы.

Проблемы ядерного синтеза

Ядерный синтез так трудно осуществить из-за экстремальных условий — например, в ядре Солнца — которые требуется воспроизвести здесь, на Земле. Как пояснили в Министерстве энергетики США, «термоядерные реакции изучаются учеными, но их трудно поддерживать в течение длительных периодов времени из-за огромного давления и температуры, необходимых для соединения ядер».

Энергия термоядерного синтеза требует удержания очень горячей плазмы под высоким давлением. Для магнитного удержания очень горячей — во много раз более горячей, чем центр Солнца — плазмы требуются сильные магнитные поля. Они должны в 10 раз превышать атмосферное давление на поверхности Земли. Сила магнитного поля является критическим параметром в достижении этих условий, поскольку оно обеспечивает как изоляцию, чтобы поддерживать плазму горячей, так и внешнее давление, чтобы стабильно удерживать ее — и все это без физического контакта между плазмой и поверхностью материала.

Несмотря на то, что ядерный синтез дает невероятные перспективы для решения некоторых из самых сложных проблем современного мира, время идет, и многие эксперты говорят, что даже если синтез не за горами, время не на нашей стороне. Хотя есть надежда, что ИТЭР будет запущен к 2025 году и полностью введен в эксплуатацию примерно к 2035 году, это может быть слишком поздно. Еще в 2019 году эксперты по климату утверждали, что 12-летний срок, который Межправительственная группа экспертов дала миру, чтобы обратить изменение ситуации на планете вспять, возможно, придется сократить до 18 месяцев. Ганс Иоахим Шелльнхубер из Потсдамского института климата год назад объяснил это так: «Математика климата предельно ясна: хотя мир не может быть исцелен в ближайшие несколько лет, он может быть смертельно ранен из-за халатности до 2020 года».

Однако на этой неделе надежда на получение чистой энергии снова зажлась.

Проект SPARC

Ученые, разрабатывающие компактную версию ядерного термоядерного реактора, показали в серии исследовательских работ: он должен работать, возродив надежды на то, что давно неуловимая цель имитации произведения Солнцем энергии может быть достигнута и в конечном итоге будет способствовать борьбе с климатом.

Центр плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института в сотрудничестве с частным стартапом Commonwealth Fusion Systems (CFS) разрабатывает концептуальный проект SPARC. Это компактный высоковольтный эксперимент с чистой термоядерной энергией. Как ожидается, SPARC будет размером с существующие термоядерные устройства среднего масштаба, но с гораздо более сильным магнитным полем. Опираясь на законы физики, ученые надеются, что устройство будет производить 50–100 МВт термоядерной мощности. Такой эксперимент станет первой демонстрацией создания чистой энергии и возможностью создания устройства, построенного с использованием новой сверхпроводящей технологии. SPARC вписывается в общую стратегию ускорения разработки термоядерного синтеза за счет использования новых высокополевых высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) магнитов.

Термоядерная энергетическая установка Sparc будет относительно небольшой, как показано на этом изображении реакционной камеры.
Т. Хендерсон/CFS/MIT-PSFC

Сроки строительства

Ожидается, что строительство реактора под названием SPARC, который разрабатывается исследователями из Массачусетского технологического института и дочерней компанией Commonwealth Fusion Systems, начнется весной следующего года и займет три или четыре года, заявили исследователи и представители компании.

Хотя остается еще много серьезных проблем, компания заявила, что за строительством последуют испытания и в случае успеха строительство электростанции, которая могла бы использовать термоядерную энергию для выработки электроэнергии, начиная с следующего десятилетия.

Этот амбициозный график намного быстрее, чем у крупнейшего в мире проекта по созданию термоядерной энергии, многонационального проекта на юге Франции под названием ИТЭР. Этот реактор строится с 2013 года, и хотя он не предназначен для выработки электроэнергии, ожидается, что к 2035 году он будет давать реакцию синтеза.

Боб Мамгаард, генеральный директор Commonwealth Fusion и один из основателей компании, сказал, что цель проекта SPARC — вовремя разработать термоядерный синтез, чтобы он сыграл роль в смягчении последствий глобального потепления. «Мы сосредоточены на том, чтобы как можно быстрее получить термоядерную энергию», — сказал он.

Термоядерный синтез, в котором легкие атомы собираются вместе при температурах в десятки миллионов градусов для высвобождения энергии, стал для всего мира способом преодоления последствий производства электроэнергии для изменения климата.

Подобно обычной ядерной электростанции деления, которая расщепляет атомы, термоядерная установка не будет сжигать ископаемое топливо и не будет производить выбросы парниковых газов.

Критика проекта

Несмотря на амбиции проекта, препятствия на пути создания машины, способной создавать термоядерную плазму и управлять клубящимся сверхгорячим облаком атомов, которое повреждает или разрушает все, к чему прикасаются, огромны.

Некоторые ученые, которые десятилетиями работали над термоядерной энергией, говорят, что хотя они с энтузиазмом относятся к перспективам Sparc, график может быть попросту нереальным.

«Чтение этих документов (исследовательских работ — прим. ред.) дает мне ощущение, что у разработчиков будет контролируемая термоядерная термоядерная плазма, о которой мы все мечтаем», — заявил Кэри Форест, физик из Университета Висконсина, который не участвует в проекте. Однако он не уверен, что сроки выполнения проекта реальны.

По словам доктора Мумгаарда, SPARC будет намного меньше, чем ITER — размером с теннисный корт, по сравнению с футбольным полем, — и намного дешевле, чем международный проект, который, по официальным оценкам, обойдется примерно в 22 млрд долларов, но и эта цифра — не предел. Компания Commonwealth Fusion, основанная в 2018 году и насчитывающая около 100 сотрудников, на данный момент привлекла 200 млн долларов на свой проект.

Отличия Sparc от ITER

С тех пор как почти столетие назад начались эксперименты по термоядерному синтезу, перспектива создания практического термоядерного устройства, которое может производить больше энергии, чем используется, оставалась неуловимой.

Но, если верить выводам ученых в The Journal of Plasma Physics проект SPARC добьется успеха и будет производить в 10 раз больше энергии, чем потребляет.

Исследование «подтверждает, что проект, над которым мы работаем, скорее всего, будет работать», — заявил Мартин Гринвальд, заместитель директора Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института и один из ведущих ученых проекта. Доктор Гринвальд является основателем Commonwealth Fusion, но в настоящее время не связан с компанией.

SPARC использует тот же тип устройства, что и ITER: токамак, или камера в форме пончика, внутри которой происходит реакция синтеза. Поскольку облако плазмы такое горячее — горячее, чем Солнце, — его необходимо удерживать магнитными силами.

Источник

Adblock
detector