Пара слов о физике плазмы: на волне Волна боянов, Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост. Институт Ядерной Физики (ИЯФ). И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире.
Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике. Специалисты Института ядерной физики СО РАН уверены, что для Сибири термоядерный взрыв будет иметь катастрофические последствия. Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку. Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора. Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития.
Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР. С середины прошлого века физики всего мира ищут возможность воспроизвести реакцию термоядерного синтеза, происходящую в центре звезд. Реакторы термоядерного синтеза имитируют ядерный процесс внутри Солнца, сталкивая более легкие атомы вместе и превращая их в более тяжелые.
Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии. Пара слов о физике плазмы: на волне Волна боянов, Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост.
Выбор сделан - токамак плюс
Американские физики утроили энергетическую эффективность экспериментального термоядерного реактора NIF. Ученые развивали идею термоядерного синтеза с инерционным удержанием в лаборатории в течение почти 60 лет, пока впервые достигли успеха. Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора.
Поддерживаемый Биллом Гейтсом стартап по термоядерному синтезу превзошел температуру Солнца
Оказалось, что результаты, которые они получили, даже лучше, чем то, что намерили мы. Но в основном все совпало. Повторилась ситуация, которую мы имели в конце 1960-х гг. Академик Л. Арцимович, руководитель программы УТС того времени, пригласил английских физиков приехать в Курчатовский институт с новой диагностикой и сопоставить измеренные параметры с нашими измерениями.
Все подтвердилось, и даже больше. После этого практически все лаборатории мира, связанные с работами по магнитному удержанию плазмы, стали делать токамаки. Сейчас с нашим участием строится первый экспериментальный реактор ITER, в котором мощность термоядерной реакции должна в 10 раз превзойти мощность, затрачиваемую на поддержание реакции. ITER — это тоже токамак.
Работы по физике высоких плотностей энергии продолжаются, лидером этого направления у нас был В. Фортов, с которым мы здесь тоже работали. Сегодня мы переживаем новый этап в области термоядерных исследований благодаря новой федеральной программе. Она очень сложна.
Существуют проблемы создания такого реактора. Одна из важнейших — взаимодействие плазмы со стенкой, то есть эрозия стенки. Было предложено несколько способов ее защиты. Кстати, самые активные исследования этой проблемы проводятся здесь на токамаке Т-11М под руководством С.
Энергетический термоядерный реактор предполагает, что мощность, выделяемая в процессе интенсивной термоядерной реакции, должна превосходить затрачиваемую на поддержание плазмы не менее чем в десять раз. И тогда на стенку камеры идет очень высокий поток частиц, который ее разрушает. Проблема первой стенки — одна из важнейших для энергетического реактора. Если вы снизите требования к интенсивности реакции, то эти потоки уменьшаются и проблема защиты стенки перестает быть такой острой.
Но возникает вопрос: а где мы можем применять эти нейтроны? Оказывается, мы можем их использовать в целях создания топлива для обычных атомных реакторов. Это так называемые гибридные системы «синтез — деление», и они сейчас здесь очень активно обсуждаются и развиваются. Практическая реализация таких систем важна.
Но чего сейчас здесь удалось достичь? Каков сегодня мировой рекорд ее удержания, где он достигнут? Первый токамак со сверхпроводящими магнитными системами был построен в Курчатовском институте. Потом, в силу ряда обстоятельств, эта система не получила развития.
Точнее, она получала развитие в токамаке Т-15, который создавался в Курчатовском институте, но из-за слома Советского Союза дело не было доведено до конца. На Западе и Востоке довели. Надо понимать, что, помимо времени удержания, еще есть требования на плотность, температуру, и вообще для того, чтобы термоядерный реактор работал, необходимо, чтобы тройное произведение — время удержания, плотность и температура — было выше некоторой величины. Длительность удержания разряда в высокотемпературной плазме на китайском токамаке — более 100 с.
Требуемые температуры также достигнуты. Реализовать их одновременно в одной установке предполагается в ITER. Сегодня здесь лидеры китайцы. У них разряд в высокотемпературной плазме держится больше сотни секунд.
В ITER будет два режима. Один — режим удержания в течение пяти часов, другой, более короткий — в течение нескольких десятков секунд. Если мы говорим о системах с магнитным удержанием, а только о них мы и должны говорить, все-таки их придется периодически перезаряжать. То есть система работает несколько часов, потом она останавливается, прочищается за час и потом опять работает.
В этом смысле коэффициент использования мощности будет высоким. Мы все живем благодаря термоядерной энергетике — не только в смысле зарплаты, а в смысле создания практически не ограниченного топливными ресурсами энергетического источника. Термоядерная реакция — такой источник энергии.
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. Экспериментаторы «бомбардировали» цилиндр мощными звуковыми волнами и одновременно — высокоэнергичными нейтронами. В результате рождалось скопление воздушных пузырьков диаметром около миллиметра, то есть гораздо более крупных, нежели образуются при воздействии только звуковых волн. Схлопывание пузырьков нагревало дейтерированный ацетон до таких температур, при которых, утверждают физики, уже начинается термоядерная реакция — слияние двух ядер дейтерия в ядро трития с вылетом лишнего нейтрона. Кстати, о температурах. Пузырьковый термояд иногда называют «холодным». Академик Роберт Нигматулин поясняет: «Вообще-то неправильно называть пузырьковый термояд разновидностью «холодного термоядерного синтеза». В центре пузырька, который испускает нейтроны, температура от 100 до 200 миллионов градусов Кельвина. Процесс длится доли пикосекунды 10—12 с. В общем, получается 500 тысяч нейтронов в секунду. Это много с точки зрения физики явления, но этого мало, чтобы это было термоядерным реактором». Как бы там ни было, по словам Роберта Нигматулина, он продолжает теоретические исследования в этой области и есть идеи, как повысить выход нейтронов в пузырьковом термояде. Нет денег на проведение экспериментов. Как отмечал польский философ и футуролог Станислав Лем в своем трактате «Сумма технологий» 1964 , «Без сомнения, ученым придется сначала «воспитать» целое поколение руководителей, которые согласятся достаточно глубоко залезть в государственный карман, и притом для достижения целей, столь подозрительно напоминающих традиционную тематику научной фантастики».
В конечном счёте наиболее принципиальной сегодня можно считать задачу устранения негативного воздействия стенки, ограничивающей разряд, и других взаимодействующих с плазмой элементов. Проблема взаимодействия плазма—стенка для УТС двоякая. С другой стороны, существует обратное влияние на плазму. Выбиваемые из стенки примесные атомы и молекулы поступают и могут накапливаться в плазме, приводя к дополнительным потерям на излучение, диссипации тока и даже деградации разряда. Накопление примесей вблизи стенки продуктов её эрозии увязывают с сокращением длительности разряда. Кроме того, стенка может довольно эффективно абсорбировать изотопы водорода, служащие термоядерным горючим. Отчётливо видно, что для сверхпроводящих систем повышение длительности разряда пока удаётся совмещать только со снижением нагрузки на стенку. Одна из них заключается в использовании жидкого лития как материала с низким зарядовым числом в промежуточном слое между плазмой и стенкой или пластинами дивертора. При этом возможные функции такого литиевого слоя могут несколько разниться. Литий должен собираться специальными литиесборниками и очищаться от абсорбированных продуктов — но уже вне камеры. Извлечённые изотопы водорода направляются в систему подачи топлива. Кроме того, часть принимаемой литиевым слоем энергии может высвечиваться в виде ультрафиолетового излучения, снижая температуру пристеночной плазмы и способствуя более равномерному распределению тепловой нагрузки по стенке камеры [ 11 ]. Большие объёмы циркулирующего лития и его проникновение в основную плазму — вот основные трудности на пути реализации этого подхода. Можно ли обеспечить относительно быстрое ламинарное течение тонкого слоя жидкого лития по металлической пластине, полностью поглощаю-щего попадающие в него частицы плазмы так называемый случай нулевого рециклинга? Будет ли при этом автоматически достигаться улучшение удержания плазмы в основном объёме реактора и, как следствие, повышение температуры? Продуктивность этой концепции [ 12 ] и иных возможностей использования лития требует детальной экспериментальной проверки. Дальнейшая экстраполяция этой концепции заключается в полном отказе от стенки, ограждаю-щей плазменный объём. Речь идёт о проработке возможности сооружения магнитного термоядерного реактора в космосе на околоземной орбите. Такой подход имеет ряд потенциальных преимуществ включая гарантированную реализацию нулевого рециклинга , хотя и представляется труднореализуемым. При этом магнитная конфигурация термоядерного реактора космического базирования может и должна быть предметом оптимизации, в том числе по параметрам таким как вес, присутствие дополнительных систем, простота монтажа и пр. Поэтому реализацию этого направления следовало бы начать с глубокой концептуальной проработки и маломасштабных космических экспериментов. Следует отметить, что идеи космического размещения энергетического реактора обсуждались ещё в 1970-х годах. Целесообразность их рассмотрения в настоящий момент оправдывается качественно иным достигнутым уровнем развития космонавтики, с одной стороны, и прогрессом в термоядерных технологиях и в понимании физики термоядерной плазмы, с другой стороны, что переводит эти идеи из области гипотез в сферу проектов, доступных для воплощения в жизнь за обозримое время, хотя они и не имеют пока достаточно сторонников для серьёзной проработки.
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.
Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
| Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы | Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы. |
| Как работает изобретенный китайцами токамак и зачем он нужен | 360° | В Саровском ядерном центре создается аналогичная установка для экспериментов, позволяющих работать с управляемым термоядерным синтезом с инерциальным удержанием. |
| Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза | В Саровском ядерном центре создается аналогичная установка для экспериментов, позволяющих работать с управляемым термоядерным синтезом с инерциальным удержанием. |
| Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака | Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние. |
Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза
Если верить расчетам, то космический аппарат с таким двигателем сможет разогнаться до 804 672 километров в час. 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.
Виктор Ильгисонис: Это инновационные разработки магнитных систем, конструктивных элементов бланкета, дивертора, первой стенки. Это оригинальные системы топливного цикла, нагрева плазмы и отвода энергии и многое другое. Плазма в реакторе ИТЭР должна быть в десять раз горячее солнечного ядра, а температура в его криостате в 30 раз ниже, чем в морозильнике А разве этого нет в проекте ИТЭР?
Виктор Ильгисонис: В том-то и дело. Наши решения оригинальны, таких нет ни в проекте ИТЭР, ни в национальных проектах зарубежных коллег. Абсолютно закономерно, что проект ТРТ возник в России - он способен вернуть нашей стране прежнее лидерство, во многом утраченное за постсоветское время. Так что ТРТ - не мутант, а, скорее, естественный продукт эволюции. И его перспективы будут зависеть от той поддержки со стороны правительства в финансировании программы РТТН, о которой мы уже говорили. К концу 2024 года планируем завершить разработку эскизного проекта и отработать ряд ключевых элементов технического проекта. Так что при одобрении "сверху" сооружение ТРТ к 2030 году - вполне реальная задача.
У "Росатома" есть действующее соглашение с РАН. Как оцениваете участие академических институтов в совместной реализации федерального проекта "Термоядерные и плазменные технологии"? Виктор Ильгисонис: Как абсолютно необходимое. Дело в том, что все академические институты - участники проекта "Термоядерные и плазменные технологии" - имеют собственные уникальные компетенции, освоение которых в контуре "Росатома" заведомо нецелесообразно, если мы исповедуем государственный подход. О других и не говорим… Виктор Ильгисонис: Так вот: уже упомянутый мною Институт прикладной физики в Нижнем Новгороде разрабатывает и производит лучшие в мире гиротроны - специальные устройства для мощного нагрева электронной компоненты плазмы. Новосибирский ИЯФ создает источники ионов и нейтральных атомов высокой энергии, которые приобретаются всеми ведущими мировыми лабораториями. Санкт-Петербургский физтех - признанный авторитет в методах высокочастотного нагрева плазмы… Список можно продолжать.
И сказанное в полной мере относится не только к институтам РАН, но и к организациям НИЦ "Курчатовский институт", к вовлеченным в проект университетам. Какие риски здесь можно и должно прогнозировать с учетом нарастающих антироссийских санкций? Виктор Ильгисонис: Вопрос о пользе нашего участия задают уже лет пятнадцать - с того момента, как проект стартовал. Очевидная и главная польза - это ожидаемое появление в мире уникального экспериментального устройства, создание которого оказалось непосильным ни для одной страны. Причем не только в денежном или техническом плане, но и в интеллектуальном.
На термоядерной установке в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, США за несколько месяцев энергопроизводительность выросла в 8 раз. Стартап Helion Energy планирует запустить энергоэффективную установку термоядерного синтеза в 2024 году. Владимир Губайловский Схема установки Trenta. Helion energy Самый экологичный способ получения ядерной энергии — это термоядерный синтез. Но он начинается при температуре и давлении, примерно таких, как в недрах Солнца. Создать такие условия на Земле совсем непросто, но есть надежда, что все получится Самый знаменитый проект получения термоядерной энергии — это международный проект ИТЭР. Россия принимает в нем самое активное участие. Это — огромная установка, чья стоимость сегодня оценивается в 22 млрд евро. Чтобы запустить процесс на ИТЭР, плазму надо разогреть в токамаке — огромной полой баранке, где высокотемпературную плазму «держат на весу» мощные сверхпроводящие магниты. Это позволит проводить первые операции по разогреву плазмы.
Это, наверное, самый амбициозный научно-технологический проект нашего времени. В случае успеха проекта ИТЭР человечество сможет рассчитывать на обладание практически неисчерпаемым источником энергии. Это в корне поменяет всю структуру нашего существования, включая остановку глобального потепления ИТЭР — это экспериментальный реактор, который должен воспроизвести физические реакции, происходящие на Солнце и других звездах, и показать возможность использовать потенциала ядерного синтеза как источника электроэнергии. Несмотря на все ограничения, связанные с коронавирусом, все работы по монтажу начинаются в срок, так что пуск реактора и получение на нем первой плазмы должны состояться уже через пять лет. Бернар Бижо, генеральный директор проекта Международного экспериментального термоядерного реактора: «Мы начинаем работу над этапом сборки, и нам предстоит самая сложная часть работы. Мы должны в жесткие сроки решить сложнейшую головоломку по сбору всех элементов конструкции — этого 3D-пазла , в котором каждый элемент должен работать с точностью швейцарских часов». Подобный проект — это новая веха в международном сотрудничестве. По масштабам его можно сравнить с Международной космической станцией или Большим адронным коллайдером. ИТЭР — это 35 государств, работающих сообща.
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
| Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии | Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. |
| Физики США вторично добились положительного термоядерного синтеза | Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного. |
| Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза | Термоядерный синтез представляет собой процесс, во время которого два лёгких атомных ядра объединяются в одно более тяжёлое с высвобождением большого количества энергии. |
| Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака | Кажется, физики только что переписали основополагающее правило для термоядерных реакторов, обещающих миру почти бесконечную энергию. |
| Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER | Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР. |
Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
| Учёным удалось получить полезную энергию в термоядерной реакции / Хабр | Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. |
| Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза | И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире. |
| Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики | Делается вывод о том, что термоядерные исследования способны выступать и уже выступают мощным драйвером научно-технологического прогресса, механизмом, стимулирующим. |
| Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых | — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. |