Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. Делается вывод о том, что термоядерные исследования способны выступать и уже выступают мощным драйвером научно-технологического прогресса, механизмом, стимулирующим. Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция.
Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза. 83-летний физик Питер Хиггс, еще в 60-х предсказавший существование поля, которое отвечает за массу всех элементарных частиц, расплакался. Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора. В Саровском ядерном центре создается аналогичная установка для экспериментов, позволяющих работать с управляемым термоядерным синтезом с инерциальным удержанием. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения.
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём. 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. Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития.
Ливерморская национальная лаборатория обошла ITER
- Впервые осуществлена безубыточная термоядерная реакция: Наука: Наука и техника:
- Прототип российского термоядерного реактора: для чего он необходим?
- и
- Почему сложно построить реактор для синтеза
- Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова - МК
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
Фото: ru. По сути, это маленький термоядерный взрыв, который отличается от взрыва бомбы тем, что является управляемым. Что дальше? Надо будет полученную энергию как-то собрать, преобразовать в тепло. Хоть термоядерная реакция и считается самой чистой из всех ядерных, но сильные потоки электронов, которые активируют окружающие вещества, никто отменить не может. Но самый, пожалуй, главный вопрос заключается в том, действительно ли термоядерный реактор поможет нам вырабатывать дешевую электроэнергию? То есть, условно, на мишень попал 1 мегаджоуль, а выделилось 1,2 мегаджоуля. Но на самом деле надо смотреть, сколько установка потребила энергии из розетки. Это будут совсем другие цифры. Все это пока сильно охлаждает мысль о том, что завтра у нас будут фабрики с термоядерными управляемыми реакторами.
И там тоже будет использоваться рентгеновский диапазон излучения для обжатия мишени, как и американцев, но есть свои интересные наработки. Работы пока проводятся на уровне энергии в несколько десятков килоджоулей.. На полный уровень энергии 2. Первая — это проблема устойчивости плазмы. На бумаге все было красиво, но жизнь внесла свои коррективы.
Физпуск состоялся еще 18 мая 2021 года. А вот с энергопуском возникли организационные проблемы. Все это время мощности не использовались. Нам потребовалось почти два года, чтобы решить эту проблему.
Мы согласовали с энергокомпанией все условия, и сейчас уже ничто не мешает выйти на работу в сети». Следующим российским термоядерным реактором должен стать токамак с реакторными технологиями, который планируют построить на территории Троицкого института инновационных и термоядерных исследований.
Планируется, что полномасштабная реализация процессов горения термоядерной плазмы в ИТЭР будет достигнута во второй половине 2030-х гг.
Но потребуется еще около 15 лет, чтобы построить термоядерный реактор ДЕМО , где будет генерироваться электрическая и тепловая энергия» Институт ядерной физики им. Порт-плаг одновременно служит и «окном» в горячую область, так как является носителем многочисленных диагностических устройств, и «пробкой» на пути потока нейтронов, генерируемых в плазме. В защитных модулях порт-плагов разместят диагностические системы, поставляющие информацию о состоянии вещества на центральный пульт. 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.
Создание ИТЭР в середине 2000-х стало именно таким моментом. В основе проекта лежит разработанная в нашей стране концепция установки токамак. Токамак — тороидальная камера, магнитная катушка. Система удержания плазмы токамак изобретена и предложена в Советском Союзе в Курчатовском институте, и это наш главный вклад. То есть вся кооперация, весь мир строит реактор в концепции, предложенной нашими учеными». Интересно и то, что соглашение об ИТЭР состоит из двух частей. Первая: о создании самого проекта и его реализации, а вторая — как страны участники будут делить интеллектуальную собственность, которая создается. Семь партнеров, включая Россию, вкладывают свои ресурсы и технологии. Наша доля — девять процентов.
Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
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. Проблемы NIF, как прототипа термоядерной электростанции, были видны еще до начала строительства — даже если бы 1,8 мегаджоуля термоядерной энергии получалось бы в каждом выстреле, затраты энергии «из розетки» все равно составляли бы скорее 500 мегаджоулей, а количество выстрелов не превышало бы 2-3 в сутки. Кроме того, мишени для NIF представляли собой произведение криогенного ювелирного искусства: капсула миллиметрового размера и сверхточной формы наполняется топливом при температуре 15 кельвин и поддерживается при этой температуре в процессе помещения в установку и до момента эксперимента. Ну и разумеется, никакой энергоустановки в проекте предусмотрено не было, термоядерное тепло просто рассеивалось через градирни. В реальности все оказалось еще скромнее.
Установка произвела первые полноценные выстрелы в 2010 году и вместо мегаджоулей термоядерной энергии ученые увидели сотни джоулей. Три года непрерывных усилий по совершенствованию установки привели к первому breakeven — выходу около 15 килоджоулей термоядерной энергии, что было больше, чем сообщали рентгеновского тепла стенки сосуда с капсулой. Однако это было далеко от того, что обещали до начала строительства NIF. Впрочем, основного заказчика этой установки все устраивало. Дело в том, что условия, создающиеся в топливной капсуле и хольрауме очень похожи на то, что происходит в термоядерном боеприпасе в момент срабатывания.
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.
В два раза быстрее, чем поезд идущий от Москвы до Владивостока.
Принципиальная схема термоядерного двигателя Основа двигателя камера длиной в 8 метров с магнитными ловушками — в ней будет разогреваться и удерживаться от контакта со стенками термоядерная плазма. Топливо — Дейтерий и Гелий-3. Оно самое перспективное с энергетической точки зрения. Оптимизировать конструкция камеры поможет искусственный интеллект и суперкомпьютеры американцев из Princeton Satellite Systems.
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.
В свою очередь в Германии было объявлено о собственном прорывном достижении в области термоядерного синтеза. Учёные из Института физики плазмы имени Макса Планка IPP нашли способ значительно уменьшить расстояние между горячей плазмой в устройствах ядерного синтеза и стенкой корпуса.
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен! Когда говорят о термоядерных исследованиях и пытаются объяснить назначение сложнейших систем того же ИТЭР, приводят для сравнения процессы внутри Солнца и других звезд. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба".
Прорыв в термоядерном синтезе
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. Причем эксперт отметил, что в научных исследованиях нет ничего плохого.
Работа физиков из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии была опубликована в журнале Physical Review Letters. 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.
Мир приблизился к получению экологически чистой и дешевой энергии. Том Уилсон Tom Wilson Ученые американского правительства совершили прорыв в поисках безграничной энергии с нулевым выбросом углерода, впервые в истории добившись выработки в реакции термоядерного синтеза, сообщают трое людей, осведомленных с предварительными результатами недавнего эксперимента. Начиная с 1950-х годов физики пытаются использовать питающую Солнце реакцию синтеза, но ни один ученый коллектив так и не смог произвести в результате реакции энергии больше затраченной. Эта веха под названием чистый прирост возвестила бы о надежной и доступной альтернативе ископаемому топливу и традиционной ядерной энергетике. Федеральная Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса в Калифорнии использует так называемый термоядерный синтез с инерционным удержанием — при этом крошечная частичка водородной плазмы бомбардируется крупнейшим в мире лазером. В ходе эксперимента за последние две недели удалось добиться чистого прироста энергии. Даже при том, что многие ученые считают, что создание термоядерных электростанций станет возможным лишь спустя десятилетия, потенциал этой технологии трудно переоценить. Реакции термоядерного синтеза не выделяют ни углерода, ни радиоактивных отходов с долгим периодом полураспада, а небольшая чашка водородного топлива теоретически может питать дом в течение сотен лет. Американский прорыв свершился в момент, когда мир столкнулся с высокими ценами на энергию и необходимостью скорейшего отказа от ископаемого топлива, чтобы не допустить опасного скачка средних мировых температур.
Его используют для удержания физической плазмы магнитным полем. Он находится в Калхэмском центре термоядерной энергии в Великобритании. Все благодаря международной команде ученых и инженеров в Оксфордшире», — заявил министр ядерной энергетики и сетей Великобритании Эндрю Боуи. Проект разрабатывается с середины 1980-х годов, закончить строительство главной конструкции планируют в 2025 году.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
| #термоядерный синтез | «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. |
| Новый термоядерный рекорд: китайский токамак удерживал плазму 403 секунды | Ещё с 1950-х годов прошлого века физики мечтали использовать термоядерный синтез для получения энергии, но прежде не получалось добыть больше энергии. |
| Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза | Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и. |
Поделиться
- Комментарии
- Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза
- До коммерческого получения термоядерной энергии еще далеко
- Физика плазмы и инерциальный термоядерный синтез
- Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку | Аргументы и Факты
- Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
Поддерживаемый Биллом Гейтсом стартап по термоядерному синтезу превзошел температуру Солнца
| Термоядерный синтез - что это такое, токамак, синтез, изучение, проблемы, трудности, эксперименты | Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза. |
| и | Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов. |
| Выбор сделан - токамак плюс - Российская газета | Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. |
Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
Кормера и Г. Кириллова при активной поддержке Ю. На ней проводились эксперименты по определению условий самовозбуждения усилителей при постановке термоядерной мишени в фокальную область фокусирующей системы, а также отрабатывались методики диагностики термоядерной плазмы. В 1989 году была запущена 12-канальная установка "Искра-5" мощностью 120 ТВт, не имеющая аналогов в Европе и Азии по мощности ее превосходила лишь установка "Нова" в США. На комплексе, в основном, проводятся исследования с мишенями непрямого облучения. Направления этих исследований: лазерный термоядерный синтез, взаимодействие лазерного излучения с плотной плазмой, физические процессы в горячей и плотной плазме и магнитосферных бурях. Асимметрия создавалась нарушением однородности рентгеновского поля на поверхности сферически симметричной стеклянной капсулы. Проведенное сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами газодинамических расчетов сжатия центральных капсул по программе МИМОЗА-НД, с параметрами мишени и рентгеновского импульса, соответствующими эксперименту, позволяет констатировать качественное и количественное согласие между экспериментальными и расчетными данными в широком диапазоне изменения асимметрии рентгеновского поля. Наблюдается удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных значений нейтронного выхода во всем исследованном диапазоне сдвигов. Эти результаты показывают, что, несмотря на чрезвычайно широкий диапазон изменения характера газодинамического течения, наблюдается удовлетворительное согласие расчетного и экспериментального значений нейтронного выхода и времени сжатия капсулы с DT-газом. Впоследствии данная установка получила название "УФЛ-2M".
От этого результата до электростанций, работающих на реакциях термоядерного синтеза, — дистанция огромного размера». Вот и директор LLNL Ким Будил считает, что еще предстоит преодолеть «значительные препятствия» в отношении технологии термоядерного синтеза, прежде чем ее можно будет использовать в глобальных масштабах — или для начала в любом масштабе, если уж на то пошло. Такой процесс может занять годы или даже еще несколько десятилетий. Прежде всего NIF — это неимоверной сложности установка.
Например, накопители конденсаторы для питания лазеров — это целое футбольное поле. Во-вторых, сейчас уже вполне отработана технология реакторов на быстрых нейтронах. Уран, который эти реакторы позволяют вовлечь в ядерно-топливный цикл, дешевый, его много. В общем, физика процесса — интересная: исследование свойств веществ при сверхвысоких давлениях и сверхвысоких температурах.
Пусть занимаются. Повторяю, это очень интересная физика. Но коммерческое использование этого достижения — не раньше, чем через несколько десятилетий. Как шутят сами физики, занимающиеся термоядом, через 50 лет или, может быть, на два дня раньше».
Действительно, заявления типа «Ученые США впервые в мире смогли получить от термоядерного синтеза больше энергии, чем на него потратили», «Научные прорывы в этой сфере позволят человечеству в будущем полностью отказаться от ископаемого топлива» существенно переоценивают значение эксперимента на установке NIF. Да, полученной «сверхнормативной» энергии хватит, чтобы вскипятить 10—15 чайников. Но журнал Nature напоминает: на работу всей установки потратили 322 МДж; лазеры выдали мощность на топливо, равную 2,05 МДж; конечная реакция произвела 3,15 МДж. Но с точки зрения промышленности все остается на своих местах: потратили 322, получили 3,15», — резюмируют сотрудники Московского инженерно-физического института в Telegram-канале «Эвтектика из МИФИ».
Но в этой гонке принципов — токамаки vs инерциальный термояд — как-то оказался отодвинутым на периферию научного и государственного, что важно! Этот сценарий, как бы, зеркально противоположен лазерному термояду. 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.
Главные новости сегодняшнего дня Новости 9 ноября. 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.
При неравномерном сдавливании капсулы они быстро нарастают, и в результате вместо сильного сжатия оболочку с топливом просто разорвет на куски. Преодоление этих трудностей и является пока главной задачей в инерционном термоядерном синтезе. Установка NIF использует две идеи, помогающие бороться с этими проблемами: слоистую капсулу и непрямое обжатие рис. Чтобы не потерять топливо при нагревании, внешняя оболочка капсулы делается из пластика, а дейтериево-тритиевая смесь наносится в виде льда на внутренную поверхность этой оболочки. Внешний слой поглощает лазерный импульс, резко нагревается и расширяется, ударным образом сжимая при этом внутреннюю часть капсулы.
Эта внутренняя часть разгоняется до высоких скоростей — и резко останавливается, когда схлопывающаяся ударная волна проходит через центр. Именно этот процесс сжатия и прохождения ударных волн сильно уплотняет центральную область и разогревает вещество до многих миллионов градусов. Интересно отметить, что похожие процессы, но при меньших масштабах температур и давлений, происходят и при ультразвуковой кавитации. Принцип работы инерциального термоядерного синтеза с непрямым обжатием. Мощная лазерная вспышка попадает внутрь маленькой камеры, превращает ее в облачко плазмы высокой температуры. Эта плазма излучает тепловое рентгеновское излучение, которое уже и сжимает слоистую капсулу с топливом структура капсула показана в разрезе. Схема из статьи G. Brumfiel, 2012. Laser fusion put on slow burn Для равномерного давления на капсулу в установке NIF используется не только большое число лазерных лучей 192 синхронизованных луча, которыми можно независимо управлять , но и так называемое непрямое обжатие капсулы рис.
Лазеры не светят прямо на поверхность капсулы, они освещают внутренность маленькой, сантиметрового размера, цилиндрической камеры, в центре которой находится слоистая капсула с топливом рис. Попадая на стенки камеры, лазерная вспышка резко ее испаряет и нагревает получившуюся плазму до 3 млн градусов. Плазма начинает светиться в рентгеновском диапазоне, и уже это рентгеновское излучение давит на капсулу. Такая схема работы позволяет получить более равномерное обжатие, а также позволяет избежать слишком быстрого испарения внешней оболочки капсулы. Центральная камера сантиметрового размера, внутри которой помещается капсула с топливом. Конечно, последствия термоядерной реакции были замечены, но эта реакция была слабоватой. Даже если сравнивать выделившуюся энергию с той энергией, которая непосредственно поглощается топливом, то выход тут до недавнего времени составлял от силы 20—30 процентов рис. Таким образом, NIF долгое время не удавалось даже достичь первой цели из приведенного выше списка. Результаты работы NIF за последние два с половиной года.
По горизонтали отмечены отдельные лазерные «выстрелы» шестизначный номер кодирует год-месяц-день выстрела и для каждого выстрела показаны три величины: энергия, поглощенная топливом черная отметка , энергия, выделившаяся в термоядерном синтезе за счет сжатия синяя колонка , дополнительная термоядерная энергия, связанная с саморазогревом топлива альфа-частицами красная колонка. Полная высота колонки показывает всю термоядерную энергию, выделившуюся при выстреле. Правая часть гистограммы, отмеченная как «high foot», отвечает новому режиму сжатия капсулы. Вставка показывает распределение выстрелов на диаграмме двух величин: по горизонтали обобщенный критерий Лоусона GLC единица соответствует полноценному запуску реакции , по вертикали — доля нейтронного потока, вызванного разогревом альфа-частицами, по сравнению с прямым сжатием. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Вообще, надо сказать, что работает NIF очень неторопливо — два-три лазерных «выстрела» в месяц. Это и неудивительно: каждый выстрел уничтожает камеру с капсулой и требуется определенное время на ее установку, накопление энергии и подготовку нового выстрела. 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.
«Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза
На термоядерной установке в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, США за несколько месяцев энергопроизводительность выросла в 8 раз. Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. Ученые Института ядерной физики а СО РАН (ИЯФ, Новосибирск) добились ускорения плазмы в термоядерной установке "СМОЛА", где вещество удерживается.
Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
«Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. 83-летний физик Питер Хиггс, еще в 60-х предсказавший существование поля, которое отвечает за массу всех элементарных частиц, расплакался. Делается вывод о том, что термоядерные исследования способны выступать и уже выступают мощным драйвером научно-технологического прогресса, механизмом, стимулирующим. Проблемы термояда обсудили на 50‑й Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в Звенигороде 20–24 марта.
Выбор сделан - токамак плюс
Этот поразительный факт при наличии необходимых технологий сулит человечеству в далеком будущем неисчерпаемый источник энергии. Проект Международного экспериментального термоядерного реактора ITER , основанный на реакции слияния ядер двух тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития, в ядро гелия, призван показать миру возможность промышленного производства термоядерной энергии. И если эксперимент пройдет успешно, то это будущее может оказаться не таким уж и далеким Первое упоминание о «звездном» термояде относится еще к 1928 г. И, как нетрудно догадаться, поначалу далеко не в мирных целях: первый успех на этом пути прозвучал в СССР летом 1953 г. Тогда же появилась идея использовать термоядерную энергию в энергетике, но первоначальная эйфория перетекла в долгие годы исканий и напряженной работы. Следующий шаг к управляемому термоядерному синтезу был сделан советскими физиками А. Сахаровым и И. Таммом, предложившими удерживать плазму с помощью магнитного поля. Нужно было только придумать технологию, с помощью которой вещество можно не только довести до необходимой температуры, но и удержать его. Другими словами, создать ловушку для плазмы.
В целом она представляет собой электрически нейтральную среду. Плотная высокотемпературная плазма находится только в звездах, на Земле ее можно получить лишь в лабораторных условиях. Эта необычная для нас «лучистая материя» поражает воображение большим числом степеней свободы и одновременно способностью к самоорганизации и отклику на внешнее воздействие, такое как электрические и магнитные поля. Плазму можно удерживать в магнитном поле, заставляя принимать различные формы, но она стремится занять наиболее энергетически выгодное для нее положение: подобно живому организму, она будет вырываться на свободу из жесткой «клетки» магнитной ловушки, если конфигурация последней ее не устраивает Шошин, Аникеев, 2007 Наши ученые выдвинули идею замкнутого магнитного термоядерного реактора. Проблема в том, что магнитное поле сжимает и удерживает плазму в поперечном направлении относительно силовых линий, а вот вдоль них плазма течет свободно, как по рельсам. Работа над созданием токамаков стала важнейшим шагом на пути к термоядерной энергетике. Этот параметр фактор Q , естественно, должен быть больше единицы. Для промышленной же электростанции значение Q должно быть не меньше пяти: только в этом случае заряженные альфа-частицы, которые вместе с нейтронами рождаются при термоядерной реакции, но, в отличие от последних, не покидают магнитную ловушку, будут способствовать поддержанию высокой температуры. Таким образом, при Q, равном пяти, достаточно один раз «зажечь» плазму, а потом никаких дополнительных манипуляций с реактором проводить уже не нужно.
В идеале значение Q должно достигать десяти. Но создание подобной установки не под силу ни одной стране мира в одиночку. Поэтому в 1980-х гг.
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. И каждая такая порция несет разрушительную энергию: тепловая нагрузка на него оказывается больше, чем на внутренние стенки жидкостных ракетных двигателей.
Поэтому, если не предпринимать никаких мер, материал конструкции быстро истончится. На этих установках наши специалисты занимаются не только собственными исследованиями физики плазмы, но и решают нетривиальные физические задачи для проекта ИТЭР. Как работает такой научный обмен? Возьмем физику неустойчивостей, в которой мы работаем. Явления подобной природы проявляются одинаково как в закрытых, так и в открытых системах, где есть магнитное удержание плазмы.
Например, на токамаках ученые научились бороться с желобковой неустойчивостью, и эти знания мы можем использовать в открытых ловушках. Но есть вопросы, связанные, к примеру, со взаимодействием плазмы и материала, которые нельзя решить на существующих сегодня токамаках. В частности, на них нельзя достичь параметров плазменных потоков, которые будут контактировать со стенками термоядерного реактора. А вот на открытых ловушках в силу их геометрической конфигурации такие потоки получить можно. Поэтому подобные эксперименты проводятся в ИЯФ, а полученная информация используется в проекте ИТЭР Еще время от времени и по неизвестным причинам происходит так называемый срыв плазмы, когда она переходит в неустойчивое состояние и полностью изливается в дивертор.
Задача распадается на несколько составляющих: какие предельные нагрузки выдерживает дивертор, как уменьшить поток плазмы и есть ли способ ее переизлучить, как ликвидировать или управлять таким срывом? Можно смело утверждать, что термоядерная энергетика начнет реально удовлетворять энергетические потребности человечества уже в последней трети текущего века — именно тогда, когда ожидается энергетический дефицит, если учитывать прогнозы по выравниванию энергопотребления среди стран. Время термоядерной энергетики действительно пришло: промышленный термоядерный реактор очень скоро будет необходим всем развитым странам мира. Важно и то, что оборудование и технологии, которые мы используем в работе для ИТЭР, помогут нам создавать установки для самостоятельных фундаментальных исследований, которые проводятся в институте. Благодаря первоклассной команде инженеров, технологов и ученых, которая десятилетиями формировалась в нашем институте, и творческому подходу к решению задач мы получаем отличные результаты» Что касается ИТЭР, то этот мировой научно-исследовательский проект явился настоящим шагом в неизведанное.
Ученый физического факультета Томского госуниверситета Михаил Егоров выясняет, для каких реакций и при каких энергиях и температурах выделяющаяся полезная энергия может превышать энергетические потери, связанные с движением заряженных частиц. С использованием точных методов квантовой механики он вычислит сечения наиболее интересных с прикладной точки зрения термоядерных реакций синтеза.
При соединении ядер двух элементов например, изотопов водорода дейтерия и трития возникает третий гелий , что сопровождается выделением энергии, которую несет на себе разогнанный нейтрон. Если взять плазму, то есть ионизированный газ из этих изотопов, ее разогреть до высокой температуры, повысить в ней давление и время удержания, то при превышении определенной константы произведения данных величин критерий Лоусона в плазме возникнет самоподдерживающаяся термоядерная реакция. Но как удержать плазму и довести ее параметры до необходимых термоядерных значений? Это возможно в магнитном поле. Одно из физических устройств для удержания плазмы в магнитном поле соответствующей конфигурации называется «токамак» — тороидальная камера с магнитными катушками. О том, каким путем шли и идут научные исследования, связанные с токамаками, о возможности альтернативы атомным электростанциям, а также о том, как управлять плазмой с термоядерной реакцией с помощью математических моделей и систем автоматического управления, и насколько важную роль в этом может сыграть международное научное сотрудничество, мы поговорили с Юрием Владимировичем Митришкиным, доктором технических наук. Объясните пожалуйста, суть процесса!
Термоядерная реакция — это слияние ядер легких элементов с выделением энергии. Самое близкое по порогу получение термоядерной реакции — это смесь дейтерия с тритием. Это газ, поступающий через клапаны в тороидальную вакуумную камеру. В камере образуется меняющееся магнитное поле за счет изменения токов в окружающих камеру катушках, оно создает вихревое электрическое поле, которое пробивает газ, образуется плазма и ток в ней, при этом плазма начинает греться за счет прохождения в ней тока. Токамак — это и есть та самая тороидальная камера с магнитными катушками, в которой все происходит. Много таких технологий. Проблема термоядерного синтеза разрабатывается давно, шесть десятков лет, и флагманом в этой области сейчас служит сооружаемый во Франции ITER International Thermonuclear Experimental Reactor — Международный термоядерный экспериментальный токамак-реактор. Для него развиваются технологии. Этих технологий много, и много связанных с ними сложностей: например, проблемы материалов первой стенки, роботов, которые могут заменять бланкет через определенное время, проблемы магнитного и кинетического автоматического управления плазмой, их интегрирования и много разных других.
Но надо понимать, что термоядерный реактор ITER — это не термоядерная электростанция. Вся термоядерная энергия, которая получается внутри него, будет рассеиваться в окружающем пространстве. Однако термоядерная реакция в ITER будет происходить в любом случае, и будет происходить усиление мощности — то есть, на один вложенный ватт за счет термоядерной реакции будет получено 10 ватт. Зачем нужен термояд? Прежде всего для мировой промышленности. Дело в том, что уже в ближайшее время, где-то к 2050-му г. Потому что чем выше уровень цивилизации, тем больше энергии она требует. И, несмотря на то, что пока еще сохраняются ресурсы нефти, угля, газа, дефицит энергии никак не покроешь за их счет. Единственный выход — это термоядерная энергетика.
Вот над этим и работают исследователи, особенно в Европе, и лидеры там — немцы. Это уникальная нация, и они это сделают — создадут термоядерную энергетику. А мы, если всерьез не возьмемся за разработки в этой области, окажемся на задворках истории в решении столь серьезной проблемы. Известны две дорожные карты. 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.