Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного.
Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
Во-вторых, сейчас уже вполне отработана технология реакторов на быстрых нейтронах. Уран, который эти реакторы позволяют вовлечь в ядерно-топливный цикл, дешевый, его много. В общем, физика процесса — интересная: исследование свойств веществ при сверхвысоких давлениях и сверхвысоких температурах. Пусть занимаются. Повторяю, это очень интересная физика. Но коммерческое использование этого достижения — не раньше, чем через несколько десятилетий. Как шутят сами физики, занимающиеся термоядом, через 50 лет или, может быть, на два дня раньше».
Действительно, заявления типа «Ученые США впервые в мире смогли получить от термоядерного синтеза больше энергии, чем на него потратили», «Научные прорывы в этой сфере позволят человечеству в будущем полностью отказаться от ископаемого топлива» существенно переоценивают значение эксперимента на установке NIF. Да, полученной «сверхнормативной» энергии хватит, чтобы вскипятить 10—15 чайников. Но журнал Nature напоминает: на работу всей установки потратили 322 МДж; лазеры выдали мощность на топливо, равную 2,05 МДж; конечная реакция произвела 3,15 МДж. Но с точки зрения промышленности все остается на своих местах: потратили 322, получили 3,15», — резюмируют сотрудники Московского инженерно-физического института в Telegram-канале «Эвтектика из МИФИ». Но в этой гонке принципов — токамаки vs инерциальный термояд — как-то оказался отодвинутым на периферию научного и государственного, что важно! Этот сценарий, как бы, зеркально противоположен лазерному термояду.
Если в реакторе NIF происходит внешнее обжатие капли термоядерного топлива, то в пузырьковом варианте, наоборот, нейтроны рождаются в результате экстремального схлопывания газовых пузырьков. Любопытно, что теоретическую схему этого процесса предложил как раз академик Роберт Нигматулин в середине 1990-х. По крайней мере в 1995 году он уже выступал с докладом «Перспективы пузырькового термояда» на научной конференции в США. Несколько американских физиков заинтересовались теоретическими выкладками российского ученого, и начались «камерные» лабораторные эксперименты. Действие лабораторной термоядерной установки основано на эффекте акустической кавитации в специально подготовленной жидкости, подвергнутой воздействию акустической волны, образуется кластер мельчайших пузырьков, которые с огромной скоростью схлопываются. Все происходило в небольшом цилиндре с ацетоном, в котором ядра водорода были заменены ядрами дейтерия, имеющими в своем составе по дополнительному нейтрону.
Ученые зарегистрировали поток нейтронов, вылетающих из камеры, где находился цилиндр с ацетоном. Это и появление ядер трития в облученном таким образом ацетоне — явные признаки термоядерной реакции. А в середине нулевых в одном из номеров журнала Physical Review Е оявилось сообщение группы физиков из двух американских институтов Окриджская национальная лаборатория, штат Теннесси, и Ренселлерский политехнический институт в Трое, штат Нью-Йорк о том, что им вторично удалось получить доказательства существования пузырькового термояда.
Zap утверждает , что ее Z-пинч реактор является самым простым, маленьким и дешевым устройством, достигшим этой ключевой для термоядерных систем отметки. Вице-президент по исследованиям и разработкам Бен Левитт отметил, что измерения были сделаны на реакторе невероятно скромного масштаба в сравнении с традиционными термоядерными аппаратами. В отличие от токамаков и стеллараторов, технология Zap не требует дорогих и сложных сверхпроводящих магнитов или мощных лазеров. Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток.
К примеру, 55 миллионов километров - расстояние между Землей и Марсом — он мог бы преодолеть меньше, чем за трое суток. В два раза быстрее, чем поезд идущий от Москвы до Владивостока. Принципиальная схема термоядерного двигателя Основа двигателя камера длиной в 8 метров с магнитными ловушками — в ней будет разогреваться и удерживаться от контакта со стенками термоядерная плазма. Топливо — Дейтерий и Гелий-3. Оно самое перспективное с энергетической точки зрения.
Ученые подыскивали способы эффективнее обжимать топливные капсулы. Изначальная концепция нагрева и сжатия капсулы лазерами потребовала бы порядка 100 мегаджоулей, но физики придумали вариант, где разгоняющиеся внешние плотные слои из топливного льда сжимают газовую топливную смесь, разогревая ее ударной волной сжатия — такая концепция требовала уже 2-3 мегаджоуля, в 30 раз меньше! Параллельно ученые в попытке добиться инерциального конфайнмента пробовали и увеличить «массу молотка», то есть энергии, которая «вкачивалась» в мишень за один выстрел начав с единиц килоджоулей, физики к 1980-м пришли к энергиям в десятки, а то и сотню килоджоулей за выстрел , так и поменять саму схему эксперимента. В середине 1970-х годов физики решили поставить между лазерным излучением и мишенью посредника, то есть попробовать метод «непрямого воздействия». В этом варианте топливная капсула размером в миллиметр подвешивалась в центре небольшого золотого или свинцового сосуда, который получил название хольраум от немецкого Hohlraum, «пустое пространство, полость», термин взят из работ Макса Планка , посвященных излучению абсолютно черного тела. Детали их производства оставались в секрете до 1994 года. Под действием излучения лазера внутренняя поверхность сосуда становилась источником рентгеновского излучения, которое и попадало в мишень, запуская термоядерную реакцию. В рентген должно было превращаться от 70 до 80 процентов энергии лазерного излучения. В этом варианте поток излучения гораздо более равномерен и капсула, в теории, должна была сжиматься ровно, без искажения формы. Впрочем, на практике путь к этому оказался долгим. Рождения героя После нескольких промежуточных установок поменьше, в 1997 году США запустили строительство гигантской лазерной установки NIF стоимостью около 2 миллиардов долларов, которая должна была продемонстрировать работоспособность концепции и так называемый breakeven — равенство или превышение выхода термоядерной энергии над энергией лазеров, которая по проекту должна была составить 1,8 мегаджоуля. Проблемы NIF, как прототипа термоядерной электростанции, были видны еще до начала строительства — даже если бы 1,8 мегаджоуля термоядерной энергии получалось бы в каждом выстреле, затраты энергии «из розетки» все равно составляли бы скорее 500 мегаджоулей, а количество выстрелов не превышало бы 2-3 в сутки. Кроме того, мишени для NIF представляли собой произведение криогенного ювелирного искусства: капсула миллиметрового размера и сверхточной формы наполняется топливом при температуре 15 кельвин и поддерживается при этой температуре в процессе помещения в установку и до момента эксперимента. Ну и разумеется, никакой энергоустановки в проекте предусмотрено не было, термоядерное тепло просто рассеивалось через градирни. В реальности все оказалось еще скромнее. Установка произвела первые полноценные выстрелы в 2010 году и вместо мегаджоулей термоядерной энергии ученые увидели сотни джоулей. Три года непрерывных усилий по совершенствованию установки привели к первому breakeven — выходу около 15 килоджоулей термоядерной энергии, что было больше, чем сообщали рентгеновского тепла стенки сосуда с капсулой. Однако это было далеко от того, что обещали до начала строительства NIF. Впрочем, основного заказчика этой установки все устраивало. Дело в том, что условия, создающиеся в топливной капсуле и хольрауме очень похожи на то, что происходит в термоядерном боеприпасе в момент срабатывания. И изначально NIF создавался как большой стенд для верификации нового поколения программ, симулирующих поведение ядерного оружия, а энергетическое направление было приятным бонусом, на который выделялось меньше трети фондирования. Но команда термоядерщиков LLNL продолжала совершенствовать режимы работы лазеров, конструкцию хольраума и капсулы. Вместе это позволило поднять симметричность и стабильность сжатия капсулы, побороть лазерно-плазменные неустойчивости на хольрауме, увеличить эффективность передачи энергии от лазеров на хольраум и от хольраума на сжатие капсулы. Как работает NIF Специально профилированный во времени затравочный импульс «мастер-лазера» расщепляется на 192 луча, каждый из которых проходит 4 раза через 192 усилителя лазерного излучения и направляется на систему преобразования частоты, где исходное инфракрасное превращается в рабочий ультрафиолет. Через систему фокусировки 192 луча с точностью в 10 микрон проходят через окна в хольрауме, попадая на его внутренние стенки, за 10 наносекунд разогревая их до 3 миллионов градусов. Сфера с топливом, «купаясь» в излучаемом хольраумом рентгеновском излучении начинает испаряться снаружи, а реактивная сила отдачи начинает сжимать внутренние слои к центру симметрии капсулы.
Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить
Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. Европейский токамак обновил рекорд по количеству полученной в ходе термоядерной реакции энергии. Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и. Некоторые физики считают применение гелия-3 в термоядерных реакторах неграмотным и настаивают на том, что все доводы в пользу этого элемента — обычная глупость.
Выбор сделан - токамак плюс
Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку. В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М. Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+». Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+».
Искусственное солнце: как первый в мире термоядерный реактор изменит мир
Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора. Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке». Ещё с 1950-х годов прошлого века физики мечтали использовать термоядерный синтез для получения энергии, но прежде не получалось добыть больше энергии. Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции.
Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика
Изначальная концепция нагрева и сжатия капсулы лазерами потребовала бы порядка 100 мегаджоулей, но физики придумали вариант, где разгоняющиеся внешние плотные слои из топливного льда сжимают газовую топливную смесь, разогревая ее ударной волной сжатия — такая концепция требовала уже 2-3 мегаджоуля, в 30 раз меньше! Параллельно ученые в попытке добиться инерциального конфайнмента пробовали и увеличить «массу молотка», то есть энергии, которая «вкачивалась» в мишень за один выстрел начав с единиц килоджоулей, физики к 1980-м пришли к энергиям в десятки, а то и сотню килоджоулей за выстрел , так и поменять саму схему эксперимента. В середине 1970-х годов физики решили поставить между лазерным излучением и мишенью посредника, то есть попробовать метод «непрямого воздействия». В этом варианте топливная капсула размером в миллиметр подвешивалась в центре небольшого золотого или свинцового сосуда, который получил название хольраум от немецкого Hohlraum, «пустое пространство, полость», термин взят из работ Макса Планка , посвященных излучению абсолютно черного тела. Детали их производства оставались в секрете до 1994 года. Под действием излучения лазера внутренняя поверхность сосуда становилась источником рентгеновского излучения, которое и попадало в мишень, запуская термоядерную реакцию. В рентген должно было превращаться от 70 до 80 процентов энергии лазерного излучения. В этом варианте поток излучения гораздо более равномерен и капсула, в теории, должна была сжиматься ровно, без искажения формы. Впрочем, на практике путь к этому оказался долгим.
Рождения героя После нескольких промежуточных установок поменьше, в 1997 году США запустили строительство гигантской лазерной установки NIF стоимостью около 2 миллиардов долларов, которая должна была продемонстрировать работоспособность концепции и так называемый breakeven — равенство или превышение выхода термоядерной энергии над энергией лазеров, которая по проекту должна была составить 1,8 мегаджоуля. Проблемы NIF, как прототипа термоядерной электростанции, были видны еще до начала строительства — даже если бы 1,8 мегаджоуля термоядерной энергии получалось бы в каждом выстреле, затраты энергии «из розетки» все равно составляли бы скорее 500 мегаджоулей, а количество выстрелов не превышало бы 2-3 в сутки. Кроме того, мишени для NIF представляли собой произведение криогенного ювелирного искусства: капсула миллиметрового размера и сверхточной формы наполняется топливом при температуре 15 кельвин и поддерживается при этой температуре в процессе помещения в установку и до момента эксперимента. Ну и разумеется, никакой энергоустановки в проекте предусмотрено не было, термоядерное тепло просто рассеивалось через градирни. В реальности все оказалось еще скромнее. Установка произвела первые полноценные выстрелы в 2010 году и вместо мегаджоулей термоядерной энергии ученые увидели сотни джоулей. Три года непрерывных усилий по совершенствованию установки привели к первому breakeven — выходу около 15 килоджоулей термоядерной энергии, что было больше, чем сообщали рентгеновского тепла стенки сосуда с капсулой. Однако это было далеко от того, что обещали до начала строительства NIF.
Впрочем, основного заказчика этой установки все устраивало. Дело в том, что условия, создающиеся в топливной капсуле и хольрауме очень похожи на то, что происходит в термоядерном боеприпасе в момент срабатывания. И изначально NIF создавался как большой стенд для верификации нового поколения программ, симулирующих поведение ядерного оружия, а энергетическое направление было приятным бонусом, на который выделялось меньше трети фондирования. Но команда термоядерщиков LLNL продолжала совершенствовать режимы работы лазеров, конструкцию хольраума и капсулы. Вместе это позволило поднять симметричность и стабильность сжатия капсулы, побороть лазерно-плазменные неустойчивости на хольрауме, увеличить эффективность передачи энергии от лазеров на хольраум и от хольраума на сжатие капсулы. Как работает NIF Специально профилированный во времени затравочный импульс «мастер-лазера» расщепляется на 192 луча, каждый из которых проходит 4 раза через 192 усилителя лазерного излучения и направляется на систему преобразования частоты, где исходное инфракрасное превращается в рабочий ультрафиолет. Через систему фокусировки 192 луча с точностью в 10 микрон проходят через окна в хольрауме, попадая на его внутренние стенки, за 10 наносекунд разогревая их до 3 миллионов градусов. Сфера с топливом, «купаясь» в излучаемом хольраумом рентгеновском излучении начинает испаряться снаружи, а реактивная сила отдачи начинает сжимать внутренние слои к центру симметрии капсулы.
Примерно за 2 наносекунды при давлении в 200 миллиардов атмосфер размер сферы уменьшается в 30 раз, а плотность топлива возрастает до 1000-1300 грамм на кубический сантиметр — примерно в 100 раз плотнее свинца.
Это серьезный шаг вперед. Хотя пока еще нельзя говорить, что NIF может устойчиво производить энергию. Установка, созданная Helion Energy — реактор Trenta — использует другой принцип. Плазма разогревается в двух источниках, и ее потоки сталкиваются в камере сгорания. В ней достигаются условия, при которых начинается термоядерный синтез и выделяется энергия. Trenta создает те же 100 миллионов градусов, что и NIF. Но эти «градусы» много дешевле. Сейчас «перезарядка» реактора занимает 10 минут, но усовершенствованная установка должна «стрелять» каждую секунду.
При такой «скорострельности» она может выдавать энергию непрерывно. Может так случиться, что небольшой коммерческий проект Helion Energy первым достигнет энергетической самоокупаемости термоядерной установки, опередив и государственные, и международные программы. А если Helion Energy притормозит, его может опередить другой стартап — Commonwealth Fusion Systems, созданный физиками из Массачусетского технологического института.
Поделиться Первый термоядерный ракетный двигатель запланировано испытать в космосе в 2027 году Британская компания Pulsar Fusion в Блетчли объявила о своем намерении построить ракетный двигатель, тягу в котором будут создавать продукты управляемой термоядерной реакции. Или термоядерного синтеза. Испытания — уже прямо в космосе — запланированы на 2027 год. Не удивительно, что термоядерный двигатель принципиально будет похож на термоядерный реактор - тот самый неисчерпаемый источник энергии, которого ждет-не дождется человечество. Только вместо «бублика» -тора, в котором вспыхнет рукотворное Солнце и пойдут реакции термоядерного синтеза, аналогичные тем, что разогревают наше светило, ракетный двигатель сделают в виде цилиндра, открытого с одной стороны — оттуда с огромной скоростью и будет вырываться плазма, нагретая до сотен миллионов градусов.
Прогресс, достигнутый в результате многолетних исследований на токамаках, не следует недооценивать. Достижение всех необходимых для реализации УТС значений параметров 2 сегодня продемонстрировано экспериментально, но, к сожалению, в разных экспериментах табл. Полученные значения тройного произведения более чем в 1000 раз превышают данные середины 70-х годов прошлого века, когда стартовали первые крупные токамаки с дополнительным нагревом плазмы 3 3. И то, и другое сопряжено с существенным удорожанием установки. Именно на реализацию проекта ИТЭР в последнее десятилетие были направлены основные усилия мирового термоядерного сообщества. При этом большинство участников вполне плодотворно использовали добытые общими усилиями при проектировании ИТЭРа знания и технические решения в своих национальных программах. И наоборот, данные, получаемые в ходе исследований, выполняемых национальными командами, анализируются и учитываются в проекте ИТЭР. Отметим, что планируемые режимы работы ИТЭРа основаны на довольно консервативных представлениях и достаточно обоснованы предшествующими экспериментами [ 9 ]. Вместе с тем ИТЭР — это качественный скачок в токамакостроении. Для примера: объём плазмы ИТЭРа равен 840 м3, что более чем в 10 раз превосходит объём плазмы самого крупного из действующих токамаков — токамака JET. Строительство и запуск ИТЭРа призваны продемонстрировать работоспособность идеологии, позволяющей создать на базе токамака термоядерный энергетический реактор. Основной задачей экспериментов на ИТЭРе будут отработка и испытание важнейших технологий и компонентов реактора. Принципиально важной станет проверка концепции использования вольфрама в качестве материала для диверторных пластин — как самого тугоплавкого металла — в условиях ожидаемых на ИТЭРе огромных потоков энергии. Напомним, что наилучшие режимы удержания плазмы получены сегодня при использовании покрытий с низким зарядовым числом атомов в составе покрытия — углерода и бериллия; в ИТЭРе этими материалами будет покрыта первая обращённая к плазме стенка вакуумной камеры. Вопрос о том, будут ли и в каком количестве ионы вольфрама поступать в основную плазму, снижая её температуру за счёт излучения, может быть окончательно решён только в ходе экспериментов на ИТЭРе. Начиная с 2016 г. В августе 2020 г. Это событие стало предметом пристального внимания со стороны масс-медиа и заслужило ряд приветственных обращений высшего политического руководства стран — участников проекта. Отметим, что в случае соблюдения действующего ныне графика строительства, выполнения всеми сторонами своих обязательств и преодоления последствий пандемии 2020—2021 гг. По мнению авторов, основные проблемы вполне понятны и могут быть поименованы. Во-первых, это колоссальная технологическая сложность самого устройства, которая особенно ясно проявилась в проекте ИТЭР. Протекающий по плазме токамака электрический ток в тороидальном магнитном поле обеспечивает как формирование итоговой магнитной конфигурации, являющейся идеальной ловушкой для удержания частиц плазмы, так и нагрев этой плазмы. Однако для длительного устойчивого удержания плазмы термоядерных параметров требуется множество инженерных систем, создание которых находится на пределе имеющихся технологических возможностей.
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
Эксперимент проходил в минувшие две недели. В Министерстве энергетики США уже назвали результаты эксперимента «крупным научным прорывом». Полученные данные всё ещё проверяются. Однако точные данные о выходе энергии все еще уточняются, и мы не можем подтвердить, что в настоящее время она превышает пороговое значение, — говорится в сообщении Ливерморской лаборатории. Тем не менее, двое людей, знакомых с результатами эксперимента, сказали, что выход энергии был больше, чем ожидалось, что привело к повреждению некоторого измерительного оборудования, что усложнило анализ. Прорыв уже широко обсуждался учеными, добавили источники.
Китай вместе с Россией работают над созданием сверхпроводников, первая поставка которых была осуществлена в июне 2014 года. Шесть кольцеобразных полоидальных магнитов с полевой катушкой будут окружать машину ИТЭР для формирования плазмы и обеспечения ее стабильности путем отстранения от стенок вакуумного реактора. Россия отвечает за широкий спектр электротехнических компонентов, из которых состоят коммутационные сети, блоки быстрого разряда, комплекты поставки измерительной аппаратуры.
Налажено производство сборных шин и переключающих сетевых резисторов, завершается программа НИОКР для компонентов блока быстрой разгрузки. Японские инженеры и ученые также работают над магнитной системой, в частности, над дизайн-проектом катушек тороидального поля и над получением сверхпроводящих ниобий-оловянных стрендов. Получение первой плазмы на установке ИТЭР запланировано на 2025 год, выход на полную мощность — на 2035 год. Недавно о желании присоединиться к проекту заявили Австралия и Иран. Это еще одна из важнейших задач, которую должен решить ИТЭР. Кстати, бланкет и дивертор — основные плазменные компоненты. Следует отметить, что первая стенка реактора, та, что ближе всего к плазме, всего в трех метрах от нее, — неотъемлемая часть бланкета. Идея разделения этих двух компонентов была отброшена в 1980-х годах; ученые пришли к их унификации для удобного и безопасного обслуживания.
Бланкет со встроенной наработкой трития и интегрированной первой стенкой реактора обеспечит защиту от высокоэнергетических нейтронов. В ИТЭР первая стенка будет изготовлена из бериллия, а для остальной поверхностной структуры будут использоваться высокопрочные медные сплавы и нержавеющая сталь. Для удобства обслуживания защитная стенка внутри реактора модульная, состоящая из 440 сегментов. Дивертор от англ. Его главная функция — минимизировать плазменное загрязнение, а также отводить тепловые и нейтронные нагрузки от стенок реактора. Дивертор будет состоять из 54 кассетных сборок с опорной конструкцией из нержавеющей стали, бронированной вольфрамовыми плитками. Три главных плазменных звена: внутренняя и внешняя вертикальные мишени, центральный купол — составляют диверторную сборку. И для дивертора, и для бланкета будет внедрена система охлаждения, отводящая тепло от этих устройств и преобразовывающая его в электрическую энергию.
Вид вакуумного сосуда с основными положениями компонентов, обращенных к плазме: первой стенки, бланкета и дивертора Рис. Вид в поперечном разрезе основных компонентов стенки токамака Рис. Схематическое изображение диверторного узла Осторожно, «горящая плазма»! Один из важнейших критериев проекта — безопасность. При осуществлении термоядерного синтеза не инициируется цепная реакция, а значит, при любом нарушении или прекращении подачи топлива плазма охлаждается в течение нескольких секунд и затухает, словно пламя. Тритий, содержащийся в топливе, будет вырабатываться в замкнутом контуре, поэтому должны строго соблюдаться меры безопасности при обращении с тритиевым топливом внутри реактора. Тритий — слабый бета-излучатель, он не проникает в человеческую кожу, но очень токсичен для организма при попадании через дыхательные пути. ИТЭР был разработан для защиты от выброса трития и воздействия радиоактивности на работников.
Также стоит учесть активацию внутренних компонентов и плазменной камеры при взаимодействии с нейтронами высокой энергии.
На крошечную мишень, установленную в центре этой сферической камеры, нацелены 192 лазерных луча высокой мощности. Ожидается, что их коллективный световой удар позволит зажечь в микрокапсуле с дейтериево-тритиевым топливом управляемую термоядерную реакцию.
Фото с сайта lasers. В двух сеансах работы, проведенных в конце 2013 года, энергетический выход термоядерной реакции в микрокапсуле с дейтериево-тритиевым топливом оказался больше, чем подведенная к топливу энергия. В тех же экспериментах был впервые зарегистрирован сильный самостоятельный разогрев топлива за счет альфа-частиц.
Главная цель NIF — зажигание полноценной самоподдерживающейся термоядерной реакции — пока не достигнута, но полученные результаты вновь позволяют NIF с оптимизмом смотреть в будущее. В начале февраля в журналах Nature и Physical Review Letters вышло сразу три статьи, посвященные недавним результатам американской «Национальной поджигательной установки» National Ignition Facility , NIF. Этот исследовательский комплекс, запущенный в 2009 году в Ливерморской национальной лаборатории им.
Лоуренса, изучает возможность реализации инерциального управляемого термоядерного синтеза. Главная цель проекта — продемонстрировать, что с помощью мощных лазеров можно запускать управляемую термоядерную реакцию с хорошим энергетическим выходом. При соответствующем развитии технологий в будущем это сделает термоядерный синтез исключительно эффективным и экологически чистым источником энергии.
Прежде чем описывать опубликованные NIF результаты, с этого сообщения нужно сдуть некий налет сенсационности. На первый взгляд заголовки статей очень впечатляют: в NIF получен энергетический выход, превышающий поглощенную мишенью энергию. Эта фраза звучит словно объявление о том, что эффективный источник термоядерной энергии заработал и теперь дело переходит в индустриальную плоскость.
Увы, всё обстоит совсем не так. Настоящий энергетический выход — то есть сколько получено термоядерной энергии по сравнению с полной затраченной энергией — остается очень низким, не более одного процента. Поэтому ни о каком полезном применении для энергетики ни сейчас, ни в обозримом будущем речи пока не идет.
Исследования здесь находятся лишь в стадии доказательства принципиальной работоспособности технологии. Тем не менее полученный NIF результат пусть и не сенсационен, но тоже очень важен. Он на порядок лучше, чем всё то, что на NIF удавалось получить до сих пор, и к тому же заключает в себе первые серьезные намеки на принципиальную осуществимость проекта.
Управляемый термоядерный синтез Есть два основных типа ядерных реакций, которые идут с выделением энергии, — это расщепление тяжелых ядер например, урана или плутония и слияние легких ядер обычно дейтерия и трития — тяжелых изотопов водорода, рис. Энергия, получаемая при расщеплении — это то, что обычно называется ядерной энергией, именно на ней работают атомные электростанции. Энергия, получаемая при слиянии, называется термоядерной энергией, а сам процесс — термоядерным синтезом.
Энергетический выход термоядерной реакции существенно выше, чем у ядерного топлива, однако приручить этот тип энергии пока не удалось. Конечно, существуют атомные бомбы, работающие по обоим принципам, но их взрыв представляет собой неуправляемую реакцию, и для целей добычи энергии он не подойдет. Классическая реакция термоядерного синтеза: ядра дейтерия и трития сливаются друг с другом с образованием альфа-частицы и свободного нейтрона и с выделением энергии.
Рисунок из статьи M. Herrmann, 2014. Plasma physics: A promising advance in nuclear fusion Большинство специалистов связывают основные надежды по достижению управляемого термоядерного синтеза с магнитными ловушками , и прежде всего с международным проектом ITER для первого серьезного знакомства можно порекомендовать лекцию Кристофера Ллуэллин-Смита На пути к термоядерной энергетике.
Но параллельно с этим уже давно разрабатывается и другая схема для запуска управляемой термоядерной реакции — инерциальный термоядерный синтез. Она еще не так развита, как термояд с магнитным удержанием, но некоторые специалисты надеются, что именно на этом пути будет получен первый удобный источник термоядерной энергии. Принцип работы инерциального термоядерного синтеза звучит просто.
Берем маленькую капсулу с дейтериево-тритиевой смесью и резко сжимаем ее, например, с помощью сверхмощного лазерного импульса. Капсула от такого сжатия сильно нагревается, и в самом ее центре в условиях высоких температур и давлений зажигается термоядерная реакция.
Ливерморская национальная лаборатория обошла ITER Наряду c ICF существует еще один способ проведения термоядерного синтеза, называемый магнитным удержанием плазмы. Он проводится в токамаках — тороидальных установках, где нагретая до экстремальных температур плазма удерживается с помощью мощных магнитных полей. Масштабный проект начал разрабатываться с середины 1980-х годов, а завершить грандиозную стройку планируется в 2025 году. Также как и в инерциальном термоядерном синтезе, в основе работы реактора ITER будет лежать термоядерная реакция слияния изотопов водорода, дейтерия и трития с образованием гелия и высокоэнергетического нейтрона. Для этого дейтерий-тритиевая смесь должна быть нагрета до температуры более 100 миллионов градусов, что в пять раз превышает температуру Солнца. Планируется, что эксперименты по нагреву плазмы для запуска энергоэффективных термоядерных реакций начнутся только в 2035 году. В то же время инженерные задачи и проблемы, с которыми специалисты сталкиваются при строительстве ITER, отличаются от тех, что возникают в ICF. Одной из них является, например, предотвращение контакта высокотемпературной плазмы со стенками установки.