Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития. Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен! Американские физики утроили энергетическую эффективность экспериментального термоядерного реактора NIF. Проблемы термояда обсудили на 50‑й Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в Звенигороде 20–24 марта.
Выбор сделан - токамак плюс
| Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова | Европейский токамак обновил рекорд по количеству полученной в ходе термоядерной реакции энергии. |
| Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика | Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и. |
| Поддерживаемый Биллом Гейтсом стартап по термоядерному синтезу превзошел температуру Солнца | Слишком часто разработчики термоядерных реакторов сталкивались с непредсказуемостью, завышенными оценками, новыми неприятными фактами из области физики плазмы. |
| Выбор сделан - токамак плюс - Российская газета | Зачем на самом деле строится самый большой термоядерный реактор. |
| и | Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза. |
Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
Как рассказал Михаил Ковальчук, для проведения фундаментальных исследований в области термоядерной физики первым делом приобретаются подобные установки. В Саровском ядерном центре создается аналогичная установка для экспериментов, позволяющих работать с управляемым термоядерным синтезом с инерциальным удержанием. Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора. Слишком часто разработчики термоядерных реакторов сталкивались с непредсказуемостью, завышенными оценками, новыми неприятными фактами из области физики плазмы. Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза.
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
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.
В 2019 г. Интеграционная площадка для сборки порт-плагов уже готовится. Это будет «чистое» помещение, где содержание пыли, микроорганизмов, аэрозольных частиц и химических паров будет постоянно контролироваться и поддерживаться на определенном уровне.
Поэтому все работы должны быть закончены уже к 2023 г. И сейчас у института горячее время, а через год станет еще горячее. К примеру, итоговый вариант экваториального порт-плага, за производство которого взялся ИЯФ, разительно отличался от первоначального. Уже в процессе работы стало очевидно, что придется искать новые материалы и технологии.
Так, для работы над проектом в институте освоили технологию глубокого сверления. В классическом варианте вращается деталь, а сверло неподвижно. А для того, чтобы убрать стружку, которая забивает полость сверления, в сквозное отверстие самого сверла пускают охлаждающую жидкость под большим давлением. Но если деталь большая и неподвижная, как в нашем случае, то вращаться должно сверло, и направить жидкость в полость сверления гораздо сложнее.
Подобной технологии в ИЯФ не было, поэтому институт купил и модернизировал под свои нужды соответствующее оборудование. Теперь мы можем сверлить на два метра с двух сторон с хорошей точностью. Одна из особенностей этого материала — тщательно контролируемый химический состав, обеспечивающий нужный уровень примесей и легирующих элементов. Пока сделан полномасштабный опытный образец элемента диагностического защитного модуля, другими словами, верхняя крышка.
Работа ведется, можно сказать, по методу последовательного приближения: сначала создается макет, а затем по результатам испытаний происходит корректировка проекта вплоть до стадии прототипирования и постановки на производство. Такой регламент очень важен, так как любой инженерный просчет ставит под угрозу весь проект» В работе по проекту ИТЭР новые технологии требуются буквально на каждом этапе. Как следствие, в институте появляется комплексное высокотехнологичное оборудование, которое ИЯФ будет использовать и для своих собственных проектов. То же самое относится и к новым материалам.
Сейчас мы совместно с Новосибирским электровакуумным заводом начинаем исследовательскую работу по разработке более дешевой технологии производства этого нужного материала. Есть и физические задачи, которые также требуют решения. Когда токамак работает в режиме хорошего удержания, плазма сходит с поверхности «бублика» в специальное устройство дивертор порциями, а не сплошным потоком.
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. Предполагается, что эта технология позволит сократить время полета на Марс вдвое, а до Титана с десяти до двух лет. По мнению Ричарда Динана, главы компании, такие ракетные двигатели — «неизбежность» для космонавтики.
Компания сообщила, что начала строительство опытной установки в Блетчли Англия.
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. Поэтому материал для «потеющей стенки» должен быть тугоплавким и теплопроводным, а также не должен вступать с жидким литием в химическое взаимодействие и при этом хорошо им смачиваться. Самый тугоплавкий металл — вольфрам, однако его теплопроводности для эффективного охлаждения стенки недостаточно. Медь обладает очень высокой теплопроводностью, но её нельзя применять для стенок реактора из-за легкоплавкости — металл просто атомизируется при взаимодействии с плазмой и попадёт внутрь реактора, что ухудшит качество плазмы. Также по теме Российский токамак с реакторными технологиями ТRТ находится на стадии разработки эскизного проекта, концепция будущего термоядерного...
Выбор сделан - токамак плюс
Курчатова в 1950-х. В магнитной ловушке, созданной под руководством академиков Андрея Сахарова и Игоря Тамма, горячая смесь дейтерия и трития удерживалась с помощью магнитного поля и не касалась стенок реактора. Эта экспериментальная установка c вакуумной камерой в форме бублика тора стала известна во всем мире под именем Токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. В ней впервые удалось достичь температуры термоядерной реакции в 100 миллионов градусов — почти в 10 раз больше, чем внутри Солнца! У любого термоядерного реактора типа токамака есть отверстие в центре.
Объясняется это теоремой о причесывании ежа, согласно которой невозможно причесать свернувшегося клубком ежика так, чтобы ни одна его иголка не торчала наружу. Если придать плазме форму шара, то ее магнитное поле всегда будет иметь минимум одну выпадающую точку. 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.
Предыдущий рекорд был установлен на том же EAST в 2017 году и составлял 101 секунду. С момента начала работы в 2006 году EAST является открытой испытательной платформой для китайских и международных ученых для проведения экспериментов и исследований, связанных с термоядерным синтезом.
В качестве следующего шага планируется создание на его основе будущего китайского испытательного термоядерного реактора CFETR , который рассматривается как «искусственное солнце» нового поколения и который станет первым в мире демонстрационным термоядерным реактором.
Здесь катастрофы, сравнимые с Чернобылем, невозможны, но в результате работы таких устройств происходит активация, то есть становятся радиоактивными элементы конструкции», — подчеркнул Ожаровский. Он пояснил, что при активации то, что было нерадиоактивным, становится радиоактивным из-за нейтронного облучения. Этот процесс уже изучен по предшественникам современных токамаков. Даже если китайцы добьются успеха, то у них не получится получить чистую и дешевую энергию. Инженер-физик добавил, что токамаками занимается уже не первый год целая отрасль ученых. Они зарабатывают на этом проекте, поэтому только выигрывают от экспериментов. Ученые могут преуспеть, но от экспериментальной установки до промышленной еще очень далеко.
Плюс нужно будет придумать, как превратить термоядерную энергию, например, в электричество. До того, как это стало бы технологией, которая начала бы приносить пользу человечеству, еще пройдет довольно много времени. Даже если эта технология состоится, у меня огромное ощущение зря потраченных ресурсов и зря потраченных денег», — заявил Ожаровский.
Например, лазерным излучением. Такая установка разрабатывается в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, США. Научный комплекс National Ignition Facility NIF за несколько миллиардных долей секунды усиливает и фокусирует 192 мощных лазера на мишени размером несколько квадратных сантиметров. Температура мишени превышает 100 миллионов градусов, давление — 100 миллиардов атмосфер. Этого достаточно, чтобы началась термоядерная реакция.
Главная проблема — затраты энергии на разогрев мишени должны быть меньше желательно, гораздо меньше , чем энергия выделяемая при термоядерном синтезе. Иначе процесс не производит энергию, а тратит. Как сообщила Ливерморская лаборатория, на NIF поставлен новый рекорд: летние эксперименты показали в 8 раз более высокий энергетический выход, чем во время весенних опытов 2021 года и в 25 раз выше результатов 2018 года. Выход превысил 1,3 мегаджоуля. Это серьезный шаг вперед.
Выбор сделан - токамак плюс
Некоторые физики считают применение гелия-3 в термоядерных реакторах неграмотным и настаивают на том, что все доводы в пользу этого элемента — обычная глупость. Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии.
Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. Реакции термоядерного синтеза позволяют получать энергию без радиоактивных отходов и оставления углеродного следа. Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский.
Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
Термоядерная реакция позволяет звездам генерировать огромные объемы энергии, однако на Земле ее крайне трудно воспроизвести, так как для поддержания такой реакции требуется чрезвычайно высокоэнергетическая среда. Для этого ученым необходимо обеспечить стабильное "зажигание", которое выводит реакцию на самоподдерживающийся уровень. Физики потратили более десяти лет на создание технологии воспламенения термоядерной реакции, и в августе 2021 года они смогли успешно провести эксперимент. Чтобы добиться эффекта "зажигания", команда поместила капсулу с тритиевым и дейтериевым топливом в центр облицованной золотом камеры с обедненным ураном и направила на нее 192 высокоэнергетических рентгеновских луча.
Дело в том, что воспламенение не компенсирует всю энергию, потраченную на работу лазеров — около 322 мегаджоулей, — а только ту, что была потрачена непосредственно на нагрев мишени. Таким образом, NIF не является установкой для эффективного производства энергии, а служит лишь для экспериментального доказательства самой возможности воспламенения. 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.
Разговоры о нем идут уже не одно десятилетие, и, судя по всему, его использование может начаться совсем скоро, считает автор статьи. Он взял интервью у ряда экспертов, чтобы узнать, способны ли термоядерные реакции обеспечить электроэнергией весь мир. Большинство исследований в этой области сосредоточено на другом подходе — так называемом синтезе с магнитным удержанием. При нем водородное топливо удерживается на месте мощными магнитами и нагревается настолько, что атомные ядра сливаются. Исторически эти исследования вели крупные государственные лаборатории формата ДЖЭТа или Объединенного европейского токамака в Оксфорде, но в последние годы инвестиции хлынули и в частные компании, которые сулят выработать термоядерную энергию уже в 2030-х. По данным Ассоциации термоядерного синтеза, за год до конца июня компании из этой области привлекли 2,83 миллиарда долларов инвестиций, в результате чего общий объем инвестиций частного сектора на сегодняшний день достиг почти 4,9 миллиарда. Николас Хоукер, исполнительный директор стартапа First Light Fusion из Оксфорда, чей подход аналогичен Ливерморской национальной лаборатории, назвал это событие прорывным. Статья написана при участии Дэвида Шеппарда и Дерека Брауэра.
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! Так что, в науку я попал неслучайно В школе я любил алгебру, геометрию и физику. С девятого класса я учился в специализированном лицее с физико-математическим уклоном.
Эра термоядерного синтеза
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. Это научное достижение, показывающее, что достигнуто неплохое понимание поведения экстремально сжимаемой материи.
По данным Space. Это крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор. Его используют для удержания физической плазмы магнитным полем. Он находится в Калхэмском центре термоядерной энергии в Великобритании.
За одну реакцию термоядерного синтеза длительностью 5 секунд было получено 69 МДж энергии. Этого достаточно, чтобы на несколько минут обеспечить питанием обычный дом или вскипятить чайник примерно 70 раз. По данным Space. Это крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор.
С середины прошлого века физики всего мира ищут возможность воспроизвести реакцию термоядерного синтеза, происходящую в центре звезд. Для этих целей в рамках проекта ИТЭР на юге Франции с 2010 года строят самый большой в мире реактор типа токамак. В потенциале человечество может получить практически неисчерпаемый источник энергии, однако на сегодня уровень развития науки и техники не позволяет применять управляемый термоядерный синтез в промышленных масштабах. Что умеют программные роботы В прошлом году Ливерморская национальная лаборатория при Минэнерго США в ходе эксперимента по управляемому термоядерному синтезу облучила капсулу с изотопами водорода, дейтерия и трития, самым большим в мире лазером. Министерство энергетики объявило о «крупном научном прорыве, на достижение которого ушли десятки лет и который откроет путь к прогрессу в национальной безопасности и будущем чистой энергии». Через полгода ученые-ядерщики закрепили свой успех и подтвердили, что вновь достигли положительной по затратам энергии термоядерной реакции синтеза, хотя точных данных пока не огласили.