Американцы совершили прорыв в изучении термоядерной энергии. Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+». Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов. Физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии, чем потребил.
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
| Как работает изобретенный китайцами токамак и зачем он нужен | 360° | Некоторые физики считают применение гелия-3 в термоядерных реакторах неграмотным и настаивают на том, что все доводы в пользу этого элемента — обычная глупость. |
| Физика плазмы и инерциальный термоядерный синтез | Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике. |
| Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики | Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии. |
Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке». познакомьтесь с новейшими разработками, впечатляющими функциями и глубоким анализом ядерной физики. Все самое интересное и актуальное по теме "Ядерная физика". Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире.
Комментарии
- Каждая деталь – шаг в неизведанное
- Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
- Выбор сделан - токамак плюс - Российская газета
- Физики США вторично добились положительного термоядерного синтеза
- Статьи по теме «термоядерный синтез» — Naked Science
- Самая грандиозная научная стройка современности. Мы закуем Солнце в «бублик»
Российские физики рассказали о приручении 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. И создавать тягу. Если верить расчетам, то космический аппарат с таким двигателем сможет разогнаться до 804 672 километров в час.
В термоядерном реакторе такого сценария быть не может. А реакция синтеза быстро останавливается при выключении питания. Фактически в качестве топлива используется вода, в которой содержится дейтерий. А тритий можно получить из лития непосредственно в процессе работы термоядерного реактора или как побочный продукт работы ядерных реакторов», — добавил эксперт. По его словам, США традиционно были лидерами в коммерческих технологиях ядерной энергетики.
Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание. На достижение этого потребовалось семь десятилетий. Теоретически внедрение термоядерных реакторов в широком коммерческом масштабе даст нам источник энергии, не загрязняющий окружающую среду, не сжигающий ископаемое топливо и не производящий радиоактивные отходы. Для поддержания термоядерной реакции 5 декабря 2022 года 192 гигантских лазера в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций National Ignition Facility, NIF разогрели цилиндрик размером с ластик, в котором в алмазной оболочке содержалось небольшое количество водорода.
Как сообщает Reuters, результаты будут обнародованы на пресс-конференции и опубликованы в научных журналах. И все же о достижении экономически выгодного управляемого термоядерного синтеза пока говорить рано. Установка Национального комплекса зажигания использует метод инерционного синтеза, который заключается в облучении изотопов водорода лазерным пучком. Он создавался как сугубо научный, не имеющий реального коммерческого применения. Так что мечта о бесконечном и чистом топливе пока остается далекой. Британская аэрокосмическая компания Pulsar Fusion собирается первой в мире запустить в космосе двигатель термоядерного синтеза.
Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
Фукс работал исключительно из идейных соображений, на предложение о получении денег от СССР ответил категорическим отказом и попросил более никогда с ним на эту тему не разговаривать. В декабре 1943 года, по рекомендации Пайерлса и Роберта Оппенгеймера, Фукс с группой других учёных был включён в состав участников американского «Манхэттенского проекта» и прибыл в США. Там в феврале 1944 года с Фуксом была установлена новая связь через связника Гарри Голда, коммуниста из семьи украинских евреев, которому Клаус передавал важную информацию, касающуюся своей части исследовательской работы по «Манхэттенскому проекту». Однако во второй половине 1944 года связь оказалась прервана: Фукс был переведён в Лос-Аламосскую лабораторию со строжайшими мерами секретности. Там он работал в группе Ганса Бете и добился выдающихся научных результатов. Восстановить связь советской разведке удалось только в январе 1945 года, до конца года состоялись три встречи, на которых Фукс передал исключительно важную информацию как о ходе работ, так и о первом испытании атомной бомбы, в котором он лично участвовал. Читайте также В Суоми решили исключить из истории Ленина, чтобы снова стать чьим-то областным центром? Финляндия тонко намекает, что может вновь стать частью Российской Империи В 1945—1946 годах Фукс участвовал в теоретических работах по разработке водородной бомбы, в анализе результатов применения атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки, в разработке программы исследований со взрывами атомных бомб на атолле Бикини.
В июле 1946 года с другими британскими участниками проекта вернулся в Великобританию, где стал начальником отдела теоретической физики Научно-исследовательского атомного центра в Харуэлле. С 1947 года связь с Фуксом вёл заместитель резидента по технической разведке А. Феклисов, которому Фукс передал информацию о производстве плутония в США, о реакторах британского атомного центра в Уиндскейле, принципиальную схему водородной бомбы, результаты испытаний ураново-плутониевой бомбы на атолле Эниветок, данные о британо-американском атомном сотрудничестве и многое другое. Между тем над головой Клауса начали сгущаться тучи. Среди выданных Гузенко оказался и британский физик-ядерщик Алан Мэй. Он был арестован в марте 1946 года, а уже 1 мая того же года приговорён к 10 годам каторжных работ. Предъявить что-либо конкретное Фуксу британская контрразведка не могла, но за ним была установлена открытая слежка.
Фукса допрашивал лучший британский следователь из МИ-5 — Скардон, тот самый, который пытался расколоть и некоторых членов Кембриджской пятёрки. Но и он уже было решил отказаться от бесполезных допросов Клауса Фукса.
Эта революционная идея привела к появлению термоядерного синтеза с инерционным удержанием топлива, положив начало более чем 60-летним исследованиям и разработкам. В конце концов был создан комплекс NIF размером со спортивный стадион, где лазеры используются для создания температур и давлений, подобных тем, что возникают в ядрах звезд и планет-гигантов, а также внутри ядерных взрывов Ударные волны от взрыва заставляют дейтериево-тритиевое топливо сжиматься до давления в сотни гигабар, что создает в его центре горячую точку с температурой около 10 миллионов кельвинов. В таких условиях экстремальная температура, сравнимая с температурой звезд, приводит к тому, что изотопы водорода начинают сливаться с образованием ядер гелия, высвобождая дополнительную энергию и создавая каскад термоядерных реакций. Термоядерные реакции синтеза производят альфа-частицы, энергия которых нагревает все остальное топливо. Исследователи классифицирует ее как воспламенение англ.
Ignition — самоподдерживающую реакцию термоядерного синтеза, при которой выделяется больше энергии, чем тратится на ее поддержание. Чтобы добиться безубыточной реакции синтеза, физики внесли изменения в ход эксперимента, основываясь на результатах предыдущих исследований. Они увеличились мощность лазеров примерно на восемь процентов, а также изготовили мишень с меньшим количеством дефектов и отрегулировали способ подачи энергии, чтобы взрыв внутрь был более сферическим. До коммерческого получения термоядерной энергии еще далеко Пока что о коммерческом получении термоядерной энергии речь не идет.
Ученые из Ливерморской лаборатории подтвердили : они смогли получить на лазерной установке NIF больше энергии, чем было потрачено на зажигание термоядерной реакции. Было много раз сказано «прорыв» и «впервые». Попробуем разобраться, что случилось. Термоядерную реакцию вполне серьезно можно назвать «святым Граалем» энергетики. Топливом для нее служат доступные человеку изотопы водорода — дейтерия, например, на Земле целый океан, никаких долгоживущих радиоактивных отходов, никаких выбросов парниковых газов — просто мечта. Но грааль этот кажется почти недоступным. Для того, чтобы положительно заряженные ядра слились, нужно преодолеть кулоновское отталкивание, нужна сила, которая их сблизит и удержит достаточно долго, чтобы произошла реакция. Для запуска слияния ядер изотопов водорода — нужны экстремально высокая температура и давление — как в недрах Солнца. Для термоядерной бомбы такие условия создает бомба плутониевая, которая играет роль запала. Но взрыв водородной бомбы вряд ли можно рассматривать как надежный источник энергии. Магистральным путем для попыток создать устойчиво работающий термоядерный реактор стали токамаки, где плазменный шнур в тороидальной камере удерживает магнитное поле. Ученые рассчитывали, что при достаточно высокой температуре в этом шнуре начнется реакция с положительным выходом энергии, то есть энергии будет выделяться больше, чем затрачено. Рассчитывают они на это и сейчас, и строят в надежде на это международный термоядерный реактор ИТЭР читайте о нем в нашем материале «Солнце в бутылку! Быстрее взрыва Но наш главный герой — устройство, совсем не похожее на токамак. Это установка NIF National Ignition Facility — можно перевести как «Национальная зажигательная лаборатория» была построена в США в конце 1990-х годов для изучения управляемого термоядерного синтеза с инерциальным конфайнментом и непрямым лазерным обжатием. Главное слово в этом длинном поезде терминов — прилагательное «инерциальный». Если вы попытаетесь нагреть капсулу с термоядерным топливом скажем, смесью дейтерия и трития до очень высоких температур, при которых теоретически может начаться реакция синтеза, то задолго до нужного градуса и капсула и ее содержимое испарятся и рассеются в пространстве. Именно поэтому создатели токамаков тратят столько усилий на удержание плазмы в ограниченном объеме, чтобы не терять нужные для синтеза плотность и температуру топливной смеси. Но если вы сумеете сжать и нагреть топливо очень быстро и очень сильно, то термоядерная реакция в нем будет идти быстрее, чем разлет вещества капсулы и ее охлаждение. Иначе говоря, инерциальное удержание то есть конфайнмент состоит в том, что и реакция, и выделение энергии происходят до того, как вещество наконец соберется разлететься — точно как в термоядерной бомбе после того, как в ней сработает атомный запал. Как это сделать? Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного внутрь симметричного взрыва — имплозии — обычной взрывчатки. В 1978 году в письме в Nature физики из ядерного центра в Арзамасе-16 сообщали , что проводили такие эксперименты в 1955 и 1963 годах и достигли успеха — то есть смогли зафиксировать нейтроны, порожденные, по их мнению, термоядерной реакцией в тритиево-дейтериевой мишени. Но к тому моменту у ученых появился значительно более удобный, чем раствор нитробензола в тетранитрометане , инструмент — лазер. Лазерный пресс Один из изобретателей лазера Николай Басов в 1964 году вместе с коллегами опубликовал в ЖЭТФ статью , где рассматривал тонкости нагрева плазмы лазерным излучением, а уже через несколько лет рассказал о результатах первых экспериментов с мишенью из дейтерида лития и они увидел нейтроны, что могло свидетельствовать о термоядерной реакции. За океаном в то же время ходили похожие идеи.
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. В термоядерном синтезе множество задач, которые никому не удается решить уже десятки лет.
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
Академик Арцимович говорил: как только приспичит человечеству, тут же термояд и сделают. Пока, значит, не приспичило. Мой ответ другой: в 2054 году. В 1954 году запустили первую АЭС, а мы любим отмечать юбилеи с размахом. Термоядерная энергетическая установка будет более безопасной, чем современные ядерные, — нет критмассы. Но хватает своих проблем. Скорее всего, не будет сразу чистого термояда, вначале плазменные термоядерные установки используют как внешний источник нейтронов, который будет нарабатывать топливо из 238U или тория. Эта технология должна быть разработана с учетом современных требований к безопасности ядерных объектов. DEMO: перспективы Если проект ИТЭР покажет перспективные рабочие показатели по достижению, а главное — удержанию «чистой» плазмы, следующим этапом на пути к термоядерному будущему станет строительство промышленного демонстрационного реактора DEMO с запланированной мощностью всей станции около 3 ГВт. DEMO позволит распахнуть двери в мир промышленной и коммерческой эксплуатации термоядерной энергии. Скептики продолжают задаваться вопросом: а стоит ли овчинка выделки?
Очевидно, что вложения и затраты на электроэнергию термоядерных электростанций будут значительно выше вложений в существующие АЭС — несмотря на то что стоимость топлива будет минимальной. Причина — высокая стоимость замены поврежденных ядерных компонентов. Тепловая и нейтронная нагрузки ядерных компонентов будут настолько сильными, что срок службы некоторых ядерных элементов можно будет оценить от 4,5 до 10,5 лет — значительно короче срока службы типичной АЭС 40 лет. В начальный период эксплуатации это приведет к тому, что цена электроэнергии от термоядерных электростанций будет сопоставима с ценой электроэнергии от солнечных и ветряных станций. При этом производство электроэнергии высокой мощности не будет зависеть от времени года или погоды, и не нужно будет поддерживать резервные ископаемые ресурсы. Для выработки электроэнергии от коммерческого термоядерного синтеза электростанция должна быть проще и бюджетнее, чем ИТЭР. Дизайн компании основан на конфигурации с обратной поляризацией, сочетающей особенности основных термоядерных концепций. В отличие от других устройств термоядерного синтеза, таких как токамак, обратная поляризация обеспечивает топологию магнитного поля, при которой осевое поле внутри реактора изменяется вихревыми токами в плазме. Корпорация EMC2 Inc. Финансирование проекта по термояду должно отражать эти и иные альтернативные ноу-хау.
В целом у термоядерных проектов неплохие шансы стать самым чистым и доступным источником энергии, учитывая неисчерпаемое и дешевое топливо, ядерную безопасность и минимальное воздействие на окружающую среду. Гибридный синтез Пока ведутся дискуссии на тему: быть термояду или нет — звучат предложения рассмотреть вариант гибридной установки, которая может стать разумным компромиссом. Идея не нова, она обсуждалась еще на заре освоения ядерных технологий, но после серьезных аварий от нее отказались в пользу развития «чистой» энергии от термоядерного синтеза без нарабатываемых делящихся материалов. Концепция гибридного синтеза призвана уравновесить преимущества и недостатки двух парадигм ядерной генерации: цепная реакция обеспечивает выход огромного количества энергии за один акт деления, в то время как термоядерный синтез, порождая энергию в меньшем объеме, приводит к образованию нейтронов без инициации цепной ядерной реакции. А вот гибридный реактор мог бы использовать любые изотопы урана. Таким образом, с помощью термоядерной подпитки установка теоретически могла бы работать более чисто и эффективно, в значительной степени уменьшая проблемы с отходами и их распространением.
Ни чудовищной радиации, которая убьет всех вокруг, а кого не убьет, то те умрут в течение десяти лет от онкологии.
Этого ничего не будет. А что будет — так это будет выведена из строя вся радиоэлектроника». Вся цифра, все спутники. Вот эта камера, на которую меня сейчас снимают, вот этот телефон, который рядом со мной лежит. Мы вернемся с вами в год этак какой-нибудь 93-й. Проводные телефоны. Двушечка или не двушечка, я не помню, в телефоне-автомате. Я вам скажу: чудесно же жили.
Вот право. Я даже обрадуюсь. Как минимум мне не придется объяснять своим детям, почему у всех есть гаджеты, а у них нет. Я запрещаю своим детям иметь гаджеты. Это отдельная тема. Сейчас не об этом. Но как минимум вот это будет гора с плеч. Каждый раз, когда дети возвращаются из школы: «Вот, у всех есть телефоны, айпады, а у нас нет, почему у нас нет?
То есть эта опция — она остается. И это еще самая гуманная, самая такая, знаете, травоядная опция. Я не вижу никакого исхода, кроме приблизительно такого. Нравится мне это или нет. На этом программа была завершена.
В Китае и Германии достигнуты новые прорывные результаты в области управляемого термоядерного синтеза Китайский токамак EAST 14 апреля 2023 656 12 апреля 2023 года китайский токамак EAST сокращение от «experimental advanced superconducting tokamak» - экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак , установил новый мировой рекорд длительности удержания плазмы с параметрами, необходимыми для термоядерного синтеза. Нынешний рекорд составил 403 секунды чуть менее 7 минут. Предыдущий рекорд был установлен на том же EAST в 2017 году и составлял 101 секунду.
Одна — с очень дорогими термоядерными электростанциями, огромными по размеру, до 9 метров большого радиуса тора токамака-реактора. Вторая — с дешевыми, всего 6 американских центов за 1 квт-час электроэнергии, и 1,6-2,0 метров большого радиуса, и это можно сделать на сферических токамаках, на одном из которых мы и работаем, разрабатывая для него системы управления плазмой. Но можно говорить об их разнообразии? Да, существуют различные сферические токамаки. Они сферические в том плане, что у них аспектное отношение, то есть отношение большого радиуса токамака к малому, составляет, примерно, 1,5, а все другие, конвенциальные, имеют аспектное отношение, приблизительно, 3-4 и выше, и это, в отличие от сферических, не может дать дешевую электроэнергию. Можно строить небольшие установки модульного типа, а потом их наращивать, допустим, вместо одного модуля сделать 10. Модуль — это небольшая часть всей термоядерной установки, это одна независимая небольшая термоядерная электростанция. Это приведет к снижению цены за электроэнергию по современным представлениям. Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука — это физика высокотемпературной плазмы. Большая, серьезная наука, не все могут ее понимать и осваивать. Тем более, что теория не всегда совпадает с экспериментом, и адекватное понимание эксперимента очень часто основывается на так называемых скейлингах, то есть экспериментальных формулах. В мире сейчас около 40 действующих установок типа токамак, три работающие установки находятся в России. Они никакой термоядерной энергии не производят, они экспериментальные, на них исследуют плазму, материалы, системы управления плазмой и т. На некоторых установках делали эксперименты с тритием. На них было показано, что термоядерная реакция в принципе возможна, но коэффициент усиления был не больше единицы. Тем не менее, она возможна, потому что возникают нейтроны именно термоядерного происхождения, которые улавливались внешней оболочкой. Здесь сомнений нет. Вопрос только технологический — можно ли построить термоядерную электростанцию, так, чтобы она действительно давала термоядерную электроэнергию, и чтобы там реально функционировали все системы, которые туда входят. Это сильная альтернатива. У атомных станций два серьезных недостатка. Первое: они производят отходы, у которых период полураспада сотни и тысячи лет, их нужно где-то хранить, и их много, они накапливаются. Второй недостаток — они могут взрываться. Взрывы были сначала в Чернобыле, и затем на Фукусиме. В токамаках принципиально невозможен взрыв. Очень просто. Когда работает токамак, в его камеру постоянно поступает газообразное топливо, например, смесь трития и дейтерия. Имеются специальные быстродействующие клапаны, через которые поступает топливо. Если на термоядерной электростанции образуется внештатная, аварийная ситуация, то мгновенно закрываются клапаны, топливо прекращает поступать, той энергии, которая накоплена, для взрыва недостаточно, она может только сломать установку, прожечь камеру. Токамаки, конечно, нельзя считать полностью безопасными. Опасность заключается в том, что, когда сливаются ядра легких элементов, в частности, дейтерия и трития, образуется ядро гелия и быстрый нейтрон. Нейтроны поглощаются внешней оболочкой. Какая бы оболочка ни была, она становится радиоактивной. Эту радиоактивную оболочку через 20-30 лет надо менять. Но период полураспада там лет 15-20. Роботы убирают эту оболочку, заменяют на другую, радиоактивную где-то кладут — не хоронят, а кладут, и через 20 лет ее можно использовать снова. Период полураспада прошел, она становится нерадиоактивной. Снова можно использовать в установке.
Искусственное солнце: как первый в мире термоядерный реактор изменит мир
Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР. Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание. Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF).
Ракетчики начали строить термоядерный двигатель
Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. Как рассказал Михаил Ковальчук, для проведения фундаментальных исследований в области термоядерной физики первым делом приобретаются подобные установки. Институт Ядерной Физики (ИЯФ).
Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить
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. Так, например, стационарность требует сверхпроводимости магнитных обмоток; при этом на стенку камеры и в дивертор идут колоссальные потоки тепла.
Понятно, насколько серьёзными должны быть инженерные решения, обеспечивающие такое соседство. Другой пример связан с необходимостью создания мощных источников высокоэнергичных нейтральных атомов — речь идёт о нескольких мегаваттах мощности при энергии в сотни и даже тысячи килоэлектронвольт в ИТЭРе два таких источника суммарной мощностью 33 МВт должны выдавать потоки МэВных 4 4 частиц в течение часа; ранее таких источников просто не существовало! Во-вторых, это достаточно очевидная проблема длительного поддержания тока. Униполярный электрический ток, наводимый в тороидальной плазме при помощи индуктора, не может существовать вечно с электротехнической точки зрения токамак представляет собой трансформатор с одновитковой вторичной обмоткой — плазмой. Сегодня предложено и экспериментально проверено несколько способов неиндукционного поддержания тока, среди которых уже упомянутая инжекция пучков быстрых нейтральных атомов.
Можно использовать и ввод обладающих компонентой импульса в тороидальном направлении электромагнитных волн различного диапазона: электронного циклотронного, нижнегибридного, а также свистового волны-геликоны. Весьма интересен и крайне важен так называемый бутстрэп-эффект bootstrap , заключающийся в формировании анизотропной функции распределения заряженных частиц неоднородной плазмы в магнитной конфигурации токамака эффект связан с тороидальной геометрией токамака и в цилиндре отсутствует. Точно так же большинство физических вопросов, казавшихся непреодолимыми на начальном этапе работ по УТС, таких как управление равновесием, многочисленные неустойчивости, аномальные процессы переноса, сегодня решены на практическом уровне. 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.
Преддипломную практику я проходил на токамаке «Глобус-М» в Физико-техническом институте им. Иоффе в группе лазерной диагностики плазмы. Экспериментальная работа на термоядерной установке настолько меня увлекла, что после окончания института я решил связать свою жизнь с наукой! Впереди еще много планов! Хочу, чтобы первый термоядерный реактор запустили именно в России! И российская наука продолжала двигаться вперёд!
В зависимости от направления вращения магнитного поля плазма в установке либо "тормозится", в результате чего увеличивается время удержания плазмы, либо, напротив, ускоряется, что, в случае ракетного двигателя, создает реактивную тягу.
Использовать для удержания плазмы открытые, то есть незамкнутые магнитные ловушки для плазмы при проведении управляемой термоядерной реакции предложил еще в 1950-е гг. Устройство получило название "пробкотрон Будкера" - технически более простой и надежный способ по сравнению с традиционным, так называемым "токамаком".
Из-за этой неторопливости и дороговизны всей установки к концу 2012 года сложилась угрожающая ситуация — руководству NIF пришлось даже отчитываться перед Конгрессом США о целесообразности продолжения этих исследований.
Действительно, несколько десятков попыток в течение 2011—2012 годов не привели ни к какому улучшению, а вся работа NIF выглядела топтанием на месте. Тем ценнее то, что удалось в NIF реализовать в 2013 году. Исследователи научились эффективно применять новую схему управления лазерными лучами. Во-первых, они задавали определенный временной профиль мощности лазерного импульса, а во-вторых, они независимо настраивали частоту разных лазерных лучей, попадающих в камеру под разными углами.
Это позволило настраивать зависимость от времени того рентгеновского излучения, которое возникает при испарении камеры и сжимает капсулу. Отчасти с оглядкой на формулы, а отчасти эмпирическим путем был подобран временной профиль, при котором температура испарившейся камеры сначала резко прыгает до миллиона градусов, а потом в два этапа — до 2,5 миллионов такой режим был назван профилем с высоким подножием, «high-foot». При таком нагреве в капсуле запускается три умеренно сильных ударных волны, которые вызывают меньшие деформации, чем раньше. В результате центр капсулы удается сжать до меньших размеров и больших плотностей, что приводит к повышению температуры и более эффективной термоядерной реакции.
Действовать методом проб и ошибок — дело очень ответственное при таком неторопливом режиме работы. Первые несколько комбинаций параметров не принесли успеха, и только три последние попытки позволили резко повысить энергетический выход по сравнению со всеми прошлыми попытками рис. Рекордными оказались выстрелы, произведенные 27 сентября и 19 ноября прошлого года. Опубликованные в статьях результаты относятся прежде всего к этим двум сеансам работы.
Рекордные выстрелы Наблюдение за результатами лазерного выстрела велось с помощью целого арсенала инструментов — применялось свыше 50 различных диагностических методик! Это позволило проследить за всеми аспектами схлопывания капсулы и восстановить физические условия в этом процессе. Для рекордных выстрелов были получены следующие данные. Температура доходит до 60 млн градусов, а это уже достаточно для запуска термоядерной реакции синтеза.
Изображения центральной горячей зоны в сеансе работы 27 сентября 2013 года. Изображения a, b — это вид сбоку и сверху в мягких рентгеновских лучах, цвет здесь передает относительную яркость свечения. Изображение c — реконструированный трехмерный профиль области горячей зоны, в которой видны небольшие деформации. Изображение d — нейтронный «снимок» центральной области; красная область отвечает нейтронам с энергией 13—17 МэВ и непосредственно показывает область реакции, голубой цвет — нейтроны с энергией от 6 до 12 МэВ.
Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Энергетический баланс реакции подводился с помощью рентгеновских и нейтронных наблюдений рис. Они показали, что самая горячая центральная область оставалась более-менее сферической вплоть до максимального сжатия — это доказывает, что физикам до какой-то степени удалось побороть неустойчивость при сжатии. Размеры горячей области и длительность ее свечения позволили найти, сколько энергии было поглощено топливом примерно 9 кДж в выстреле 19 ноября. А зная нейтронный поток, можно было сосчитать энергетический выход реакции — около 17 кДж.
Таким образом, в рекордном выстреле в ходе термоядерной реакции было произведено примерно вдвое больше энергии, чем было вложено в топливо. Второй важный результат, полученный в рекордных выстрелах, тоже можно увидеть на рис. Опять же, благодаря совокупности наблюдений удалось выяснить, какая часть нейтронного потока была вызвана простым нагревом из-за сжатия, а какая возникла за счет дополнительного разогрева альфа-частицами. Выяснилось, что в рекордных выстрелах дополнительный разогрев увеличивал поток примерно вдвое, и это намного превышало предыдущие значения.
Таким образом, этот процесс впервые эффективно заработал в NIF, а значит, еще немного — и будет достигнута вторая цель NIF, полноценное самоподдерживающееся термоядерное горение всего топлива в капсуле. Измерения показали, что во время рекордных выстрелов выгорело лишь несколько процентов от всего объема дейтериево-тритиевого топлива. Если реакцию удастся запустить, энергетический выход возрастет еще как минимум на порядок. Что нужно сделать исследователям, чтобы достичь этой цели?
Общая идея ясна: надо постараться повысить плотность или размер центральной области хотя бы раза в два.
FT: американцы добились прироста чистой энергии в термоядерном синтезе и совершили прорыв
Это могло бы стать альтернативой как обычным атомным электростанциям, работающим наоборот за счёт расщепления атомов, так и углеводородному топливу и, конечно, избавиться от вредных выбросов в атмосферу. В Ливерморской национальной лаборатории воспроизвели т. 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.
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. Чтобы этого избежать и обеспечить полноценное продление РТТН на период до 2030 года, как это определено Указом Президента Российской Федерации, абсолютно необходима поддержка правительства, всех вовлеченных в процесс федеральных органов исполнительной власти. Без этого, если финансирование федерального проекта и РТТН в целом будет вестись по остаточному принципу и подвергаться периодическому "обрезанию", наши амбициозные цели останутся таковыми лишь на бумаге. Токамак - это тот редкий случай, когда название научной установки, созданной в нашей стране, разошлось по миру и стало международным брендом. А что означает словосочетание "токамак с реакторными технологиями"?
Это позволило настраивать зависимость от времени того рентгеновского излучения, которое возникает при испарении камеры и сжимает капсулу. Отчасти с оглядкой на формулы, а отчасти эмпирическим путем был подобран временной профиль, при котором температура испарившейся камеры сначала резко прыгает до миллиона градусов, а потом в два этапа — до 2,5 миллионов такой режим был назван профилем с высоким подножием, «high-foot». При таком нагреве в капсуле запускается три умеренно сильных ударных волны, которые вызывают меньшие деформации, чем раньше. В результате центр капсулы удается сжать до меньших размеров и больших плотностей, что приводит к повышению температуры и более эффективной термоядерной реакции. Действовать методом проб и ошибок — дело очень ответственное при таком неторопливом режиме работы. Первые несколько комбинаций параметров не принесли успеха, и только три последние попытки позволили резко повысить энергетический выход по сравнению со всеми прошлыми попытками рис. Рекордными оказались выстрелы, произведенные 27 сентября и 19 ноября прошлого года. Опубликованные в статьях результаты относятся прежде всего к этим двум сеансам работы. Рекордные выстрелы Наблюдение за результатами лазерного выстрела велось с помощью целого арсенала инструментов — применялось свыше 50 различных диагностических методик! Это позволило проследить за всеми аспектами схлопывания капсулы и восстановить физические условия в этом процессе. Для рекордных выстрелов были получены следующие данные. Температура доходит до 60 млн градусов, а это уже достаточно для запуска термоядерной реакции синтеза. Изображения центральной горячей зоны в сеансе работы 27 сентября 2013 года. Изображения a, b — это вид сбоку и сверху в мягких рентгеновских лучах, цвет здесь передает относительную яркость свечения. Изображение c — реконструированный трехмерный профиль области горячей зоны, в которой видны небольшие деформации. Изображение d — нейтронный «снимок» центральной области; красная область отвечает нейтронам с энергией 13—17 МэВ и непосредственно показывает область реакции, голубой цвет — нейтроны с энергией от 6 до 12 МэВ. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Энергетический баланс реакции подводился с помощью рентгеновских и нейтронных наблюдений рис. Они показали, что самая горячая центральная область оставалась более-менее сферической вплоть до максимального сжатия — это доказывает, что физикам до какой-то степени удалось побороть неустойчивость при сжатии. Размеры горячей области и длительность ее свечения позволили найти, сколько энергии было поглощено топливом примерно 9 кДж в выстреле 19 ноября. А зная нейтронный поток, можно было сосчитать энергетический выход реакции — около 17 кДж. Таким образом, в рекордном выстреле в ходе термоядерной реакции было произведено примерно вдвое больше энергии, чем было вложено в топливо. Второй важный результат, полученный в рекордных выстрелах, тоже можно увидеть на рис. Опять же, благодаря совокупности наблюдений удалось выяснить, какая часть нейтронного потока была вызвана простым нагревом из-за сжатия, а какая возникла за счет дополнительного разогрева альфа-частицами. Выяснилось, что в рекордных выстрелах дополнительный разогрев увеличивал поток примерно вдвое, и это намного превышало предыдущие значения. Таким образом, этот процесс впервые эффективно заработал в NIF, а значит, еще немного — и будет достигнута вторая цель NIF, полноценное самоподдерживающееся термоядерное горение всего топлива в капсуле. Измерения показали, что во время рекордных выстрелов выгорело лишь несколько процентов от всего объема дейтериево-тритиевого топлива. Если реакцию удастся запустить, энергетический выход возрастет еще как минимум на порядок. Что нужно сделать исследователям, чтобы достичь этой цели? Общая идея ясна: надо постараться повысить плотность или размер центральной области хотя бы раза в два. Этого можно достичь, еще больше увеличив скорость сжатия капсулы за счет повышения энергии вспышки. Технически это сделать можно, проблема только в том, что чем больше энергия, тем более неустойчивым будет сжатие. Впрочем, авторы статьи пишут, что у них есть еще идеи, как с этой неустойчивостью можно бороться. Во-первых, они хотят поэкспериментировать с формой камеры. Когда камера испаряется под действием лазерного импульса, возникающее облачко плазмы в какой-то мере помнит форму камеры, а значит, от нее зависит и равномерность облучения капсулы.
Лазерный пресс Один из изобретателей лазера Николай Басов в 1964 году вместе с коллегами опубликовал в ЖЭТФ статью , где рассматривал тонкости нагрева плазмы лазерным излучением, а уже через несколько лет рассказал о результатах первых экспериментов с мишенью из дейтерида лития и они увидел нейтроны, что могло свидетельствовать о термоядерной реакции. За океаном в то же время ходили похожие идеи. Например, американский «отец» водородной бомбы Эдвард Теллер в 1957 году обдумывал вариант взорвать термоядерное устройство в трехсотметровой полости в толще гранита для получения энергии. Это заставило его и его сотрудников искать ответы на два вопроса: каким может быть наименьший энергетический выход термоядерной реакции, который бы имел смысл для коммерческого использования, и какого уровня энерговыделения можно добиться, не используя для запуска реакции «ядерный запал». Эти вопросы через некоторое время привели их к мысли об использовании лазера — как способа концентрации энергии в очень небольшом пространстве, что позволяло бы достичь необходимых давлений и температур в маленьком объеме топлива, горения которого бы не было разрушительным по масштабу. В 1972 году Джон Накколс из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса вместе с коллегами опубликовал в Nature статью , где описал главные черты установки для лазерного термоядерного синтеза и даже привел вычисления, касающиеся ее коммерческой эффективности. Главное преимущество лазера, писал Накколс и его соавторы, состоит в том, что он позволяет создать сверхвысокую плотность вещества, необходимую для зажигания термоядерной реакции. Механические средства могут создать давление не более 106 атмосфер, этот предел задается прочностью химических связей. Взрыв химической взрывчатки может создать давление от 106 до 107 в центре имплозивного взрывного устройства. Но это еще далеко до нужных для инерциального синтеза параметров. Лазерное излучение может довести давление до 108 — 1011 атмосфер и даже выше. Работать это все должно было так: лазерные импульсы, несущие огромную энергию сразу со всех сторон, должны был испарять внешние слои сферической мишени размером в миллиметр, что вызывало бы схлопывание оставшейся части к центру. И там, в момент наибольшего сжатия, возникали бы условия для «зажигания» небольшой части смеси дейтерия и трития в центре мишени — от 2 до 5 процентов общей массы, которые разогревали бы оставшееся тело мишени. Но достичь успеха удалось не сразу. Любые неравномерности в обжатии мишени разрушали ее задолго до момента схлопывания к нужному размеру и достижения нужной плотности и температуры. 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.
Поддерживаемый Биллом Гейтсом стартап по термоядерному синтезу превзошел температуру Солнца
| Самая грандиозная научная стройка современности. Мы закуем Солнце в «бублик» | — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. |
| Как работает изобретенный китайцами токамак и зачем он нужен | 360° | Актом термоядерной реакции является слияние двух тяжелых ядер водорода (дейтерия с дейтерием или дейтерия с тритием) в ядро гелия. |
| Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности - Hi-Tech | Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние. |
«Повторение ошибок»
- Физика плазмы и инерциальный термоядерный синтез
- Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
- Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
- Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика
Пара слов о физике плазмы: на волне Волна боянов, Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост. Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+». С середины прошлого века физики всего мира ищут возможность воспроизвести реакцию термоядерного синтеза, происходящую в центре звезд. Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике. Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке». все новости, связанные с понятием "Термоядерный синтез ". Регулярное обновление новостного материала.