Ещё с 1950-х годов прошлого века физики мечтали использовать термоядерный синтез для получения энергии, но прежде не получалось добыть больше энергии. Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция.
Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
Все самое интересное и актуальное по теме "Ядерная физика". Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы. В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных. Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен! Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции.
Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного. В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии. — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов. Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. В Саровском ядерном центре создается аналогичная установка для экспериментов, позволяющих работать с управляемым термоядерным синтезом с инерциальным удержанием.
Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить
Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития. Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. В запущенном в Китае реакторе термоядерного синтеза использовалось достижение российских ученых, создавших устройство, отслеживающее температуру плазмы. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов. Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание.
Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. На фото: физик-теоретик, участник Манхэттенского проекта от Великобритании, передавший сведения о ядерном оружии Советскому Союзу, Клаус Фукс. Кажется, физики только что переписали основополагающее правило для термоядерных реакторов, обещающих миру почти бесконечную энергию.
Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
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. 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.
Изображение: General Atomics Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза.
Несколько дней назад исследователям удалось поддерживать плазму при температуре 100 миллионов градусов Цельсия в течение более 40 секунд. Недавно другой группе исследователей удалось сделать плазму более плотной, чем когда-либо, без каких-либо потерь. Чтобы ядерный синтез стал жизнеспособным источником энергии, необходимы десятилетия исследований. Ядерный синтез — естественная реакция в звездах, но его крайне сложно воспроизвести на Земле.
Исследователи все еще сталкиваются с рядом технических проблем, чтобы собрать воедино условия, необходимые для контролируемого и экономически эффективного ядерного синтеза. Плотность плазмы — одно из важнейших условий для воспроизведения реакции.
И вот человек, инженер-радиоэлектроник, говорит мне: «Мы еще знали в советское время, что если произвести в сотнях километрах на нашей же территории где-нибудь над Сибирью термоядерный взрыв, например, ядерный взрыв, то ничего не будет на Земле. Ничего такого страшного. Ни ядерной зимы, которую все боятся. 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.
В этих условиях атомы водорода подверглись слиянию, выделяя 1,3 мегаджоулей энергии за 100 триллионных долей секунды, что составляет 10 квадриллионов ватт мощности. Интенсивная среда, создаваемая направленными внутрь ударными волнами, создала самоподдерживающуюся реакцию ядерного синтеза. Однако за год ученые так и не смогли повторить эксперимент. В четырех аналогичных опытах удалось получить только примерно половину от энергии, полученной в первоначальном успешном эксперименте.
Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
Плазма в реакторе ИТЭР должна быть в десять раз горячее солнечного ядра, а температура в его криостате в 30 раз ниже, чем в морозильнике А разве этого нет в проекте ИТЭР? Виктор Ильгисонис: В том-то и дело. Наши решения оригинальны, таких нет ни в проекте ИТЭР, ни в национальных проектах зарубежных коллег. Абсолютно закономерно, что проект ТРТ возник в России - он способен вернуть нашей стране прежнее лидерство, во многом утраченное за постсоветское время. Так что ТРТ - не мутант, а, скорее, естественный продукт эволюции.
И его перспективы будут зависеть от той поддержки со стороны правительства в финансировании программы РТТН, о которой мы уже говорили. К концу 2024 года планируем завершить разработку эскизного проекта и отработать ряд ключевых элементов технического проекта. Так что при одобрении "сверху" сооружение ТРТ к 2030 году - вполне реальная задача. У "Росатома" есть действующее соглашение с РАН.
Как оцениваете участие академических институтов в совместной реализации федерального проекта "Термоядерные и плазменные технологии"? Виктор Ильгисонис: Как абсолютно необходимое. Дело в том, что все академические институты - участники проекта "Термоядерные и плазменные технологии" - имеют собственные уникальные компетенции, освоение которых в контуре "Росатома" заведомо нецелесообразно, если мы исповедуем государственный подход. О других и не говорим… Виктор Ильгисонис: Так вот: уже упомянутый мною Институт прикладной физики в Нижнем Новгороде разрабатывает и производит лучшие в мире гиротроны - специальные устройства для мощного нагрева электронной компоненты плазмы.
Новосибирский ИЯФ создает источники ионов и нейтральных атомов высокой энергии, которые приобретаются всеми ведущими мировыми лабораториями. Санкт-Петербургский физтех - признанный авторитет в методах высокочастотного нагрева плазмы… Список можно продолжать. И сказанное в полной мере относится не только к институтам РАН, но и к организациям НИЦ "Курчатовский институт", к вовлеченным в проект университетам. Какие риски здесь можно и должно прогнозировать с учетом нарастающих антироссийских санкций?
Виктор Ильгисонис: Вопрос о пользе нашего участия задают уже лет пятнадцать - с того момента, как проект стартовал. Очевидная и главная польза - это ожидаемое появление в мире уникального экспериментального устройства, создание которого оказалось непосильным ни для одной страны. Причем не только в денежном или техническом плане, но и в интеллектуальном. А практическая польза - это освоение здесь, на родине, новых технологий и производства высочайшего качества.
ИТЭР - это легитимная возможность "приземлить" у себя дома современные, в том числе уникальные зарубежные технологии, в создание которых вложились ведущие мировые разработчики.
Конкретно эта технология в плане эксперимента наверняка интересная, но в практическом и энергетическом плане с этим намного сложнее. Если говорить в целом о термояде, это, конечно, десятки лет.
Но есть грустная шутка: термоядерный синтез — это технология, до которой всегда 30 лет. Всегда говорят: «Через 30 лет». И так с 1960-х говорят.
Так что я продолжу традицию и скажу, что где-то через 30 лет будет». Хотя троекратный успех LLNL заслуженно называют прорывом, дьявол кроется в деталях. Тем не менее Вашингтон ставит деньги на прогресс технологии — пусть не гигантские, но существенные.
В начале месяца США объявили о выделении 42 млн долларов на развитие научных хабов в сфере термоядерного синтеза.
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. Но если бы все ученые, которые продвигают идею «зажечь солнце» на Земле, занялись совершенствованием солнечных батарей, то всей планете было бы лучше.
Прорыв, достигнутый после более чем 120 000 попыток, значительно улучшил предыдущий мировой рекорд токамака в 101 секунду, установленный в 2017 году.
Такие же процессы происходят на Солнце, а сырьем для термоядерной энергии может быть обычная морская вода. Сун Юньтао, директор ASIPP, сказал, что главное значение этого прорыва заключается в режиме высокого уровня удержания. По его словам, температура и плотность частиц значительно увеличились во время работы с плазмой с высоким уровнем удержания, что заложит прочную основу для повышения эффективности выработки электроэнергии будущих термоядерных электростанций и снижения затрат.
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
По словам учёных, методика позволяет создавать покрытие из тугоплавкого вольфрама, лишённое пор. Оно наносится на медную подложку, которая позволяет отводить тепло от стенки реактора с участием лёгкого металла лития. Термоядерная установка «Глобус-М», сооружённая в Физико-техническом институте им. Изобретение уже получило патент. Разработка позволит решить одну из основных задач в области термоядерного синтеза — уберечь стенку термоядерного реактора от воздействия раскалённой до миллионов градусов плазмы, заключённой внутри него. Хотя плазма удерживается и сжимается при помощи магнитного поля, её потоки всё равно могут соприкасаться со стенкой реактора.
В результате процесса распыления плазма существенно охлаждается, что может помешать термоядерному синтезу. 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.
Напомним, тогда, затратив 2,05 МДж на питание лазеров, ученые получили 3,15 МДж энергии. Повторный эксперимент был нужен для того, чтобы подтвердить, что первоначальный успех не был случайностью и технология действительно позволяет генерировать больше энергии, чем затрачивается на запуск реакции. Термоядерный синтез — это процесс, при котором два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое, высвобождая большое количество энергии. В 1960-х годах группа ученых-первопроходцев из LLNL выдвинула гипотезу, что лазеры можно использовать для индукции термоядерного синтеза в лабораторных условиях.
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. Одновременно разогрев цилиндр сверху и снизу, лазерные лучи испарили его.
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
| Международный экспериментальный термоядерный реактор — Википедия | Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. |
| Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии | Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития. |
Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить
| Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза / / Независимая газета | Американские физики утроили энергетическую эффективность экспериментального термоядерного реактора NIF. |
| Российский ученый раскрыл секреты искусственного солнца, которое зажгли в Китае | В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии. |
| Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза | Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке». |
| Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза | В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии. |