Реакторы термоядерного синтеза имитируют ядерный процесс внутри Солнца, сталкивая более легкие атомы вместе и превращая их в более тяжелые. Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке». К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся.
Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
Американские физики утроили энергетическую эффективность экспериментального термоядерного реактора NIF. Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза. Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике. Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
Реакции термоядерного синтеза позволяют получать энергию без радиоактивных отходов и оставления углеродного следа. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов. Актом термоядерной реакции является слияние двух тяжелых ядер водорода (дейтерия с дейтерием или дейтерия с тритием) в ядро гелия. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. Кажется, физики только что переписали основополагающее правило для термоядерных реакторов, обещающих миру почти бесконечную энергию. Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции.
Лазерный пресс
- Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
- Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика
- FT: американцы добились прироста чистой энергии в термоядерном синтезе и совершили прорыв
- Американские физики повторно добились термоядерного зажигания
- Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
- Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
И, в какой-то степени, мечту осуществил! Когда я был маленьким, главным примером для меня был мой дедушка, заведующий лабораторией в Ленинградском ЦКТИ. Когда мне еще не было 6 лет, он рассказывал мне все об устройстве окружающих вещей от двигателя внутреннего сгорания до ядерного реактора! К сожалению, деда рано не стало, и он многое не успел мне рассказать. И вот недавно я случайно узнал, что, в каком-то роде, пошел прямо по дедушкиным стопам! Перебирая домашний архив, я обнаружил грамоту более, чем 40-летней давности, которую в свое время вручили моему деду за вклад в автоматизацию экспериментов на токамаках ФТИ, где я сейчас работаю!
Как итог — в 2019-2020 году выход термоядерной энергии в экспериментах NIF начал заметно расти, перешагнул порог 100 килоджоулей, а весной 2021 года несколько выстрелов дали энергии от 400 до 700 килоджоулей и наконец 8 августа 2021 года — 1350 килоджоулей. Эта энергия в 2-5 раз превосходила энергию рентгеновского излучения от стенок хольраума и в 10-20 раз — энергию, переданную топливной сфере и свидетельствовала о том, что зажженная термоядерная реакция в маленькой точке в центре сжатой сферы успевает прогреть и поджечь окружающий ее относительно холодный топливный материал. Теперь ученые, работающие в NIF провели пресс-конференцию, где рассказали, что 5 декабря 2022 года, при мощности лазера в 114 процентов от номинальной командой было получено заметное превышение выхода термоядерной энергии 3,15 мегаджоулей над вложенной энергией лазера 2,05 мегаджоулей , что является рекордным достижением для всех установок термоядерного синтеза. Журнал Science добавляет несколько деталей про выстрел 5 декабря. Рекордный эксперимент потребовал заметных усилий от команды экспериментаторов. Для корпуса топливной капсулы использовался искусственный алмаз, который давал наиболее гладкую сферическую поверхность без пор. Было максимально уменьшено отверстие, через которое капсула заполняется топливом.
Лазер был настроен на максимальную мощность и энергию, что позволило придать испаренной оболочке капсулы больше ускорения и сжать топливо чуть больше. За три месяца до рекорда, команда NIF уже опробовала эти улучшения, получив энерговыход в 1,2 мегаджоуля. Проблема, как оказалась, лежала в недостаточно симметричном обжатии, на последнем этапе капсула превратилась скорее в блин, чем в плотный шарик. Путем подстройки мощности каждого из 192 лучей удалось улучшить сферичность сжатия и как итог — получить рекордную термоядерную энергию. Никаких других подробностей об эксперименте нет: команда не опубликовала научную статью о своем результате. Много это или мало? Эффективность термоядерных установок оценивают в Q — это отношение выделившейся термоядерной энергии к вложенной в плазму энергии нагрева.
Сейчас Q в эксперименте на NIF достиг значения 1,54. Это значительно лучше достижений другой ветви управляемого термоядерного синтеза — магнитного удержания плазмы с помощью токамаков. Однако с инженерной точки зрения эти показатели не очень существенны, поскольку важен баланс затраченной и полученной электроэнергии. Посмотрим, что такое эксперимент на NIF с точки зрения баланса энергии цифры взяты из эксперимента 2021 года : NIF тратит 400 мегаджоулей на работу ламп-вспышек и еще 100 мегаджоулей на другие нужды установки Лампы-вспышки накачивают примерно 50 мегаджоулей в активную среду генерации лазеров Затем 4,2 мегаджоуля инфракрасного лазерного излучения конвертируют в ультрафиолет Лазерный ультрафиолет приносит в хольраум 1,8 мегаджоуля Хольраум производит 300 килоджоулей рентгеновского излучения Капсула поглощает 40-50 килоджоулей рентгена и схлопывается, производя термоядерную энергию — 1,35 мегаджоулей. В декабрьском эксперименте термоядерной энергии выделилось более чем в два раза больше — 3,05 мегаджоулей. Цифры говорят, что инженерам еще надо долго совершенствовать установку, чтобы она научилась перекрывать начальные затраты в сотни мегаджоулей. Поэтому, хотя нам может показаться, что мы видим смену лидера — после 50 лет превосходства токамаков в Q, внезапно вперед вырывается инерциальный синтез, зрелость токамаков, как энергетических установок значительно выше.
Инженерам придется ответить на множество вопросов: как оптимально поглощать и отводить на генераторы гигаджоули энергии, выделяющиеся в шарике размером несколько микрон? Как эффективно получать несуществующий на земле изотоп тритий, используемый в качестве топлива? Как дешево и массово производить мишени, требующие рекордных характеристик? Как сделать надежной и недорогой лазерную установку, которая должна выдавать несколько мегаджоулей раз в секунду или около того, тогда как сегодня ее подготовка к одному выстрелу занимает полдня, и как быстро устранять ее неисправности? Многие десятилетия результаты установок с инерциальным удержанием вызывали скепсис и уныние, а строительство новых установок финансировалось только военными.
Второй и третий сектора монтируются. Его собирают из шести цилиндрических модулей, укладывая один на другой. Соленоид стабилизирует шнур из плазмы во время работы установки. В феврале Япония доставила последнюю ниобийоловянную катушку тороидального поля. Система шинопроводов, которая собирается из сегментов до 12 м длиной и весом 2—4 т, соединит электросеть с магнитной системой реактора и устройствами быстрого вывода энергии, а также с оборудованием для нагрева плазмы. Оно не имеет аналогов в мире. Эти аппараты обеспечивают защиту сверхпроводниковых катушек магнитной системы в случае перехода сверхпроводника в резистивное близкое к критическому состояние и являются важными компонентами защиты.
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. Во-вторых, можно попробовать и другие материалы для оболочки капсулы — это может сказаться на том, какие ударные волны запускаются внутрь топлива при нагреве и расширении этой оболочки. А вот что касается третьей, самой главной цели NIF — достижения энергетического выхода, превышающего всю затраченную на выстрел энергию, — то тут работа предстоит еще очень долгая. Пока что энергетический баланс в рекордном выстреле таков.
Американские физики повторно добились термоядерного зажигания
В отличие от другого использования атома — выделение из него энергии в ядерных реакторах в процессе распада — термоядерный синтез на бумаге практически не будет оставлять радиоактивных побочных продуктов. Реакторы термоядерного синтеза имитируют ядерный процесс внутри Солнца, сталкивая более легкие атомы вместе и превращая их в более тяжелые, и выделяя огромное количество энергии по пути. На Солнце этот процесс приводится в действие силой гравитации.
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.
Реакция общества Московский политик Николай Королев отправил обращения в Следственный комитет и полицию после высказывания Маргариты Симоньян. Николай Королев попросил проанализировать рассуждения главного редактора RT. Высказался сегодня о перспективах термоядерного взрыва над Сибирью и мэр Новосибирска Анатолий Локоть , ответив на соответствующий вопрос NGS.
Ничего хорошего в наземных термоядерных взрывах нет. Последствия могут сказываться даже не на сотни лет, а на тысячелетия. Потому что образуются неустойчивые элементы, период полураспада которых исчисляется сотнями лет, а некоторые — и тысячей лет.
К проблеме наземных термоядерных испытаний и любых взрывов, связанных с выделением термоядерной энергии, ядерной энергии, надо относиться очень ответственно, — подчеркнул Анатолий Локоть. RU, что термоядерный взрыв — это подрыв сразу двух бомб. Сначала взрывается атомная бомба, которая в итоге является запалом водородной бомбы.
И сила у того взрыва колоссальная. Например, в Хиросиме США взорвали только относительно небольшую атомную бомбу, и последствия были ужасающие. Понять я это не могу.
Может быть, если на какой-то огромной высоте, если взорвать, то людей массово сразу не убьет, но всё равно радиоактивные осадки будут перемещаться в атмосфере по Земле и в конце концов выпадут вместе с дождями, с пылью на головы всех людей, — отметил физик. Заражение может распространиться по всей Земле и выпасть осадками в другом регионе, стране — это негативные последствия, которые возможны повсеместно. А катастрофические — локальны, — ответили на запрос корреспондента NGS.
RU в институте. От такого взрыва могут погибнуть миллионы людей. Просчитать точно все последствия просто невозможно.
Многие специалисты сомневаются, что сам подход с использованием лазеров может стать основой для получения термоядерной энергии из-за множества сложных технических проблем. В NIF используется инерциальный управляемый термоядерный синтез ICF , когда реакция инициируется путем теплового сжатия мишеней размером с булавочную головку с помощью лазеров. Однако чтобы доказать, что тип синтеза, проводимый в NIF, может быть жизнеспособным методом производства энергии, эффективность выхода — высвобождаемая энергия по сравнению с энергией, которая идет на создание лазерных импульсов — должна вырасти в 100 и более раз. Этот результат все еще далек от фактического прироста энергии, необходимого для производства электроэнергии Тони Роулстоун, эксперт в области термоядерного синтеза из Кембриджского университета Теоретически проблемы, связанные с низкой эффективностью лазерного нагрева, могут быть решены путем повышения скорости испускания импульсов и быстрого отвода тепла и мусора из камеры для запуска следующей мишени. Также могут быть использованы новые конструкции, где подачу энергию осуществляют лазерные диоды, производящие энергию в диапазоне частот, которые сильно поглощаются стенками хольраумов.
Однако при этом остаются такие факторы, влияющие на экономическую целесообразность, как стоимость топлива и мишеней. Ливерморская национальная лаборатория обошла ITER Наряду c ICF существует еще один способ проведения термоядерного синтеза, называемый магнитным удержанием плазмы. Он проводится в токамаках — тороидальных установках, где нагретая до экстремальных температур плазма удерживается с помощью мощных магнитных полей. Масштабный проект начал разрабатываться с середины 1980-х годов, а завершить грандиозную стройку планируется в 2025 году.
В своей работе он имитирует реакцию ядерного синтеза, питающую настоящее Солнце.
Первый пуск EAST состоялся в 2006 году. Установку построили на основе модифицированного реактора HT-7. Радиус ее внешнего корпуса составляет 1,7 метра. В мае 2021 года ученым удалось установить первый рекорд. Тогда реактор нагрелся до 120 миллионов градусов по Цельсию, но проработал всего 101 секунду 1,6 минуты.
Ученые считают, что с помощью токамака удастся получить источник неограниченной чистой энергии, так как водород и дейтерий в изобилии присутствуют на Земле. Но для этого необходимо добиться того, чтобы установка могла стабильно работать при высокой температуре длительное время. Эксперимент китайских ученых продлится до июня. По словам инженера-физика, если речь идет о единичном научном приборе, то его сооружение, эксплуатация и обращение с радиоактивными отходами может осуществляться контролируемо.
Содержание
- Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
- Физика плазмы и инерциальный термоядерный синтез
- Учёным удалось получить полезную энергию в термоядерной реакции / Хабр
- Иллюстрации
- Американские физики повторно добились термоядерного зажигания
FT: американцы добились прироста чистой энергии в термоядерном синтезе и совершили прорыв
Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+». Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке».