Ученые Института ядерной физики а СО РАН (ИЯФ, Новосибирск) добились ускорения плазмы в термоядерной установке "СМОЛА", где вещество удерживается. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции.
Ученые в США провели третий успешный эксперимент с ядерным синтезом
— Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза. Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. Пара слов о физике плазмы: на волне Волна боянов, Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост.
Выбор сделан - токамак плюс
Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". Американцы совершили прорыв в изучении термоядерной энергии. Ученые Института ядерной физики а СО РАН (ИЯФ, Новосибирск) добились ускорения плазмы в термоядерной установке "СМОЛА", где вещество удерживается.
Каждая деталь – шаг в неизведанное
- Читайте также:
- Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
- Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
- Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
- Термоядерный синтез новости • AB-NEWS
- Как работает изобретенный китайцами токамак и зачем он нужен | 360°
Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова
Температура в 10 раз больше, чем в центре Солнца, и задачи космического масштаба — запустить термоядерные реакции, которые происходят в недрах звезд. Звезда по имени токамак — рукотворное Солнце на поверхности на Земле. Эта установка дает надежду на светлое будущее — термоядерный синтез может обеспечить человечество чистой энергией на тысячелетия вперед. И запуск российской установки — большой шаг на этом пути. Токамак Т-15 МД размером с небольшой дачный домик полностью спроектировали и построили в России за 10 лет. Подобный термоядерный реактор должен помочь заменить атомные электростанции и работать на безопасном и доступном топливе — дейтерии и тритии. На несколько порядков больше, чем сжигание нефти или газа того же количества, в десятки тысяч раз», — сообщил научный руководитель комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт» Петр Хвостенко. Еще в 50-х годах прошлого века советские ученые придумали установку в форме тора, или бублика, где разогретую плазму удерживает магнитное поле. Тогда и родился термин «токамак» тороидальная камера с магнитной катушкой.
Сегодня в работе с токамаками российские специалисты по-прежнему впереди планеты всей.
С тором такой проблемы не возникнет, его можно гладко «причесать» по всей поверхности, причем разными способами. Так выглядит изнутри тороидальная камера токамак для осуществления реакции синтеза Прошло почти 70 лет, но токамак все еще остается самым перспективным типом термоядерных реакторов — практически у каждой развитой страны сегодня есть собственная тороидальная установка. Реакторы других форм создают для изучения свойств плазмы. Например, сферический токамак напоминает сплюснутый глобус и позволяет дольше удерживать плазму. А в стеллараторе, прозванном «мятым бубликом», магнитные катушки находятся снаружи тора, за счет чего он может работать без перерывов, в отличие от классического токамака.
Существуют и альтернативные виды реакторов, например установки на инерциальном удержании. На тритий-дейтериевую мишень размером с булавочную головку направляют больше сотни сверхмощных лазеров. Они нагревают мишень до сотен миллионов градусов и сжимают в тысячи раз, запуская термоядерную реакцию. Такую энергию, полученную лазерным синтезом, можно контролировать и использовать. Однако подобные реакторы работают в импульсном непостоянном режиме, поэтому вещество быстро разлетается и долго удерживать плазму не удается. Отдельная задача в том, чтобы сжать вещество абсолютно симметрично со всех сторон.
Наконец, даже если в реакторе удастся обеспечить нужную форму и плотность плазмы, потери энергии на это должны быть минимальны, чтобы термоядерная реакция была экономически выгодной. Это критерий Лоусона, который стал одной из главных целей управляемого термоядерного синтеза. Именно на выполнение этого условия нацелены современные экспериментальные мега-проекты термоядерного синтеза. Один реактор на 35 стран В 2010 году на юге Франции развернулась стройка исполинских масштабов. Здесь на базе исследовательского центра ядерной энергетики «Кадараш» создают международный термоядерный реактор — ITER от латинского «путь». Стоимость токамака ИТЭР оценивается в 20 миллиардов евро.
Ни одно государство не может позволить себе запустить подобный проект самостоятельно, поэтому страны объединяют свои силы. Вид с воздуха на установку ИТЭР — международную исследовательскую площадку для изучения свойств плазмы при реализации термоядерного синтеза Вклад стран-участников не денежный, а технический. Практически у каждой из 35 стран есть собственные термоядерные мини-установки. Работа разделена по секторам будущего реактора, каждая из держав производит свою часть оборудования. Россия — один из главных участников: у наших ученых многолетний опыт использования токамаков. ИТЭР будет весить 23 тысячи тонн некоторые детали столь тяжелы, что пришлось усиливать дороги, ведущие к реактору , а по высоте, более 70 метров, он обгонит Спасскую башню.
Объем плазмы, который надеются получить ученые, — 40 кубометров.
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. Первый корпус тороидальной катушки. Первый из 18 гигантских магнитов.
Одну половину сделали в Японии, другую — в Корее 18 гигантских магнитов D-образной формы, расставленные по кругу так, чтобы образовать непроницаемую магнитную стену. Внутри каждого из них заключены 134 витка сверхпроводящего кабеля Каждая такая катушка весит примерно 310 тонн 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. 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. Потому что это только усложнило бы проект с инженерной точки зрения и сделало бы его еще более дорогим.
Схема финансирования довольно запутанная. 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.
Оставшиеся заряженными ионы отклоняются электростатическим полем в специальную охлаждаемую водой мишень. При потреблении примерно 55 МВт электроэнергии, каждый из двух планируемых на ITER инжекторов нейтральных атомов способен вводить в плазму до 16 МВт тепловой энергии. Криостат[ править править код ] Криостат [30] [31] — самый большой компонент токамака. Внутри криостата будут располагаться остальные элементы машины. Криостат, помимо механических функций опора деталей токамака и их защита от повреждений будет выполнять роль вакуумного «термоса», являясь барьером между внешней средой и внутренней полостью.
Для этого на внутренних стенках криостата размещены тепловые экраны, охлаждаемые азотным контуром 80 К. Криостат имеет множество отверстий для доступа к вакуумной камере, трубопроводов системы охлаждения, фидеров питания магнитных систем, диагностики, дистанционного манипулятора, систем нагрева плазмы и других. Доставить сборку таких размеров целиком тяжело и дорого, поэтому было принято решение конструктивно разбить криостат на четыре крупных фрагмента поддон, две цилиндрические обечайки и крышка. Каждый из этих фрагментов будет собираться из более мелких сегментов. Всего сегментов 54.
Их производством занята Индия. Затем фрагменты, после сборки в Здании криостата, по очереди будут перемещены и установлены на место — в шахту реактора [33]. Для снижения влияния нейтронного излучения токамака на окружающую среду криостат будет окружён «одеялом» из специального бетона, которое называют «биозащита» англ. Толщина биозащиты над криостатом составит 2 м. Эти выступы на сайте ITER называют «короной» «crown».
Арматура элементов короны имеет очень сложный макет; для приготовления бетона будет использован гравий , добываемый в Лапландии [34]. Control, Data Access and Communication — управление, доступ к данным и связь является основной системой управления при эксплуатации ИТЭР-токамака. В настоящий момент команда проводит консультации с ведущими институтами и привлечёнными компаниями в целях принятия наилучших технических решений для ИТЭР. Central Safety Network — Сеть централизованной защиты ; терминалы; датчики. Организационно вся система управления делится на следующие подразделения: Центральный контроль и автоматизация, мониторинг и обработка данных Central supervision and automation, monitoring and data handling.
Отображение данных и управление HMI англ. Human Maсhine Interface. Подразделение включает в себя терминалы и мнемосхемы, системы Центральной блокировки CIS англ. Central Safety System. Обе системы обладают собственными регистраторами параметров.
Группа управления ITER англ. В составе два сервера: сервер обслуживания и приложений; шлюз доступа к каналам данных. Система токамака англ. Система обеспечивает получение потока данных с токамака и осуществляет непосредственное управление исполнительными механизмами.
Прорыв в термоядерном синтезе
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.
Материалы внутри реактора могут быть загрязнены небольшим количеством радиоактивной пыли. Но потенциальные отходы будут обрабатываться, упаковываться и храниться прямо на месте, а период полураспада большинства радиоизотопов, содержащихся в этих отходах, составит менее 10 лет. Таким образом, в течение 100 лет радиоактивность материалов уменьшится настолько, что их можно будет переработать и в дальнейшем использовать на других термоядерных установках.
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. Оптимизировать конструкция камеры поможет искусственный интеллект и суперкомпьютеры американцев из Princeton Satellite Systems.
Разработка позволит решить одну из основных задач в области термоядерного синтеза — уберечь стенку термоядерного реактора от воздействия раскалённой до миллионов градусов плазмы, заключённой внутри него. Хотя плазма удерживается и сжимается при помощи магнитного поля, её потоки всё равно могут соприкасаться со стенкой реактора. Это приводит не только к нагреву стенки, но и к распылению материала, из которого сделана стенка реактора, то есть к расщеплению его на атомы, которые затем попадают в качестве примеси в плазму.
В результате процесса распыления плазма существенно охлаждается, что может помешать термоядерному синтезу. Чтобы избежать этого, ранее была разработана концепция так называемой потеющей стенки: внутренняя поверхность реактора покрывается сетью каналов, из которых истекает жидкий литий. В данном подходе слой жидкого лития берёт на себя часть защитных функций.
Термоядерный синтез — реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромного количества энергии. Неуправляемая взрывная форма такой реакции происходит внутри звезд. В 1950—1960-х годах ученые предположили, что для получения термоядерной энергии необходимо использовать лазеры. С их помощью можно создать огромное давление и температуру, которые необходимы для запуска реакции. Спустя несколько десятилетий управляемый термоядерный синтез удалось провести в лабораторных условиях.
Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова
Критерием служит потребность страны в решении конкретной проблемы, чтобы сосредоточить на ней мощь "Росатома" - техническую и интеллектуальную. Но браться стоит только за высокотехнологичные и наукоемкие направления. Наши профессиональные компетенции слишком дороги, чтобы расходовать их на обычные бизнесы, как бы прибыльны они ни были. Одно из таких направлений - термоядерные исследования и плазменные технологии.
Это третий федеральный проект внутри РТТН - комплексной программы развития техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии. Он третий по важности, срочности, ожиданиям? Виктор Ильгисонис: Он просто один из пяти, по порядку.
Не следует придавать нумерации какое-либо значение. Но если говорить о числе вовлеченных в проект организаций вне контура "Росатома", то термоядерный проект - однозначно первый. Его масштабность, широта охвата, многообразие ожидаемых результатов и их применений в значительной степени обусловили причисление всей программы РТТН к числу национальных проектов.
Самой дорогостоящей частью "термоядерного" федерального проекта, как и всей программы РТТН, принято считать модернизацию существующей инфраструктуры и создание новых экспериментальных установок. Что тут в приоритетах? Где и на каких площадках уже ведутся такие работы?
Виктор Ильгисонис: В действующей версии программы главный приоритет - это вывод на рабочие режимы токамака Т-15МД в Национальном исследовательском центре "Курчатовский институт", который должен быть оснащен различными системами дополнительного нагрева плазмы, диагностики, сбора и обработки данных, генерации тока и другими современными элементами. Осуществляются поддержка и развитие экспериментальной базы термоядерных исследований на площадках Физико-технического института имени Иоффе в Санкт-Петербурге, Института ядерной физики имени Будкера в Новосибирске, Национального исследовательского ядерного университета МИФИ в Москве. Серьезные "задельные" работы по развитию инфраструктуры, ориентированные на следующий до 2030 года этап реализации федерального проекта, ведутся в научном центре ТРИНИТИ в Троицке.
Год назад вы говорили о 110 контрольных точках по этому проекту, на 2023-й их в полтора раза больше. Как продвигаетесь по маршруту и что требует особого внимания? Виктор Ильгисонис: Движемся по плану, скрупулезно выполняя намеченное.
Трудности, конечно, есть. Серьезный момент - заметное удорожание любого строительства в связи с известными причинами. Это может привести к смещению графика завершения строек на следующий этап проекта и к "заморозке" сооружения новых запланированных объектов.
Однако, чтобы термоядерный синтез, подобный звездному, успешно протекал, необходимы колоссальные температуры и давление. На Земле создать такое уже давно возможно, однако для этого долгое время требовалось больше энергии, чем получалось на выходе. Иоффе, академик, председатель Комиссии по борьбе со лженаукой при Президиуме РАН «В конце 2022 года мировой научной сенсацией стало сообщение о достижении существенного успеха в попытках реализации лазерного термоядерного синтеза — Ливерморская лаборатория США заявила о достижении существенного превышения выделившейся энергии ядерного синтеза над поглощённой энергией световых лазерных импульсов, используемых для обжатия мишени. Разумеется, до рентабельной термоядерной энергетики остается неопределенно долгий путь, поскольку поглощенная энергия имеет порядок одного процента от полной энергии света лазеров, не говоря о низком КПД самих лазеров.
К этому нужно добавить безмерную стоимость оборудования и затраты на его содержание». Лебедева РАН «Отмечу недавний успех в лазерном термоядерном синтезе, где радиационное сжатие смеси дейтерия и трития позволило запустить реакцию ядерного синтеза с выделением большей энергии, чем было доставлено в образец.
Для сжатия используют мощные лазеры. Этот принцип создания и поддержания управляемой термоядерной реакции поэтому и называется лазерный термояд; или — инерциальный. Термояд по капле «Это историческое достижение для исследователей и сотрудников NIF, которые посвятили свои карьеры тому, чтобы увидеть, как термоядерный синтез становится реальностью, и это достижение, несомненно, повлечет за собой новые открытия», — заявила министр энергетики США Дженнифер Грэнхолм. Рекордный эксперимент обошелся американскому налогоплательщику в 3,5 млрд долл. Почему так дорого? Сердце реактора NIF — 192 мощных лазера, которые одновременно направляются на миллиметровую сферическую мишень около 150 микрограммов термоядерного топлива — смесь дейтерия и трития; возможно, в дальнейшем радиоактивный тритий можно будет заменить легким изотопом гелия-3, которого так много на Луне. Температура мишени достигает в результате 100 млн градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд раз превышает давление земной атмосферы.
То есть условия в центре мишени сравнимы с условиями внутри Солнца. Энергия самого лазерного луча при этом составляет около 1 МДж. Представьте теперь цепочку падающих в лазерное перекрестье шариков с компонентами термоядерного топлива фактически миниатюрных водородных микробомбочек. И, соответственно, непрерывную цепочку микровзрывов… Даже сложно вообразить, как физикам удалось достичь синхронности работы этих лазеров и идеально равномерного обжатия мишени! Совершенно справедливо администратор Нaциoнaльнoй администрации по ядерной безопасности NNSA Джилл Хруби назвала проведенный эксперимент «чудом инженерной мысли». Но вот придумали такую схему… в СССР. Идея инерциального термоядерного синтеза была сформулирована в 1962 году академиком Николаем Геннадьевичем Басовым и тогда еще не академиком Олегом Николаевичем Крохиным. Басов выступал на сессии Академии наук СССР и определил лазерный термояд как одно из направлений управляемого термоядерного синтеза. Он даже оценил, какая мощность лазера должна быть, чтобы зажечь термоядерную реакцию в этих условиях.
Как раз 13 декабря, за день до 100-летнего юбилея Николая Басова, на заседании Президиума Российской академии наук, посвященном этой дате, академик, заместитель директора Российского федерального ядерного центра «ВНИИЭФ» по лазерно-физическому направлению Сергей Гаранин подчеркнул: «Фактически достигнуто зажигание термоядерного горючего. Эти результаты достигнутые на NIF. Михаил Мишустин 18 мая 2021 года принял участие в церемонии физического пуска установки управляемого термоядерного синтеза токамак Т-15МД в Курчатовском институте. Впрочем, не надо переоценивать его немедленную практическую значимость. От этого результата до электростанций, работающих на реакциях термоядерного синтеза, — дистанция огромного размера». Вот и директор LLNL Ким Будил считает, что еще предстоит преодолеть «значительные препятствия» в отношении технологии термоядерного синтеза, прежде чем ее можно будет использовать в глобальных масштабах — или для начала в любом масштабе, если уж на то пошло.
Учёные из Института физики плазмы имени Макса Планка IPP нашли способ значительно уменьшить расстояние между горячей плазмой в устройствах ядерного синтеза и стенкой корпуса.
Если ранее считалось, что расстояние между краем термоядерной плазмы и дивертором особенно термостойким элементом внутренней стенки корпуса должно составлять не менее 25 сантиметров, то в экспериментах на ASDEX Upgrade удалось сократить это расстояние до менее чем 5 сантиметров без повреждения стенки.
Термоядерную установку, у которой нет аналогов в мире, запустили в Курчатовском институте
Слишком часто разработчики термоядерных реакторов сталкивались с непредсказуемостью, завышенными оценками, новыми неприятными фактами из области физики плазмы. Ученые развивали идею термоядерного синтеза с инерционным удержанием в лаборатории в течение почти 60 лет, пока впервые достигли успеха. Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба".