Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
О первых успехах учёные отчитались в 2014-м, однако производимая тогда реакцией энергия была крохотной — примерно столько потребляет 60-ваттная лампочка за пять минут. На коммерциализацию и широкое распространение данной технологии могут уйти десятилетия — так сказала Кимберли Будил, директор Ливерморской национальной лаборатории. Технология развивается, и при нужных усилиях и соответствующих инвестициях мы через несколько десятилетий исследований сможем построить электростанцию.
Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. Проект National Ignition Facility, специалисты которого и добились успеха, использует метод так называемого «термоядерного инерционного синтеза». На практике американские учёные стреляют гранулами, содержащими водородное топливо, в пучок из почти 200 лазеров, создавая серию чрезвычайно быстрых повторяющихся взрывов со скоростью 50 раз в секунду. Энергия, полученная от нейтронов и альфа-частиц, извлекается в виде тепла, и это тепло является ключом к производству энергии.
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.
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. Чем плотнее материал, тем большее количество горючих частиц он содержит, что повышает вероятность термоядерного синтеза. В ядерных реакторах типа токамак эта плотность ограничена.
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
На основе найденных величин можно будет рассчитать кинетику ядерных превращений для расчета коэффициента полезного действия КПД конкретной энергетической термоядерной или гибридной ядерной установки. Результаты исследования помогут развитию энергоэффективной термоядерной энергетики.
Внутри них циркулирует вода. Вырывающиеся из плазмы свободные нейтроны попадают в эти бланкеты и тормозятся водой. Из-за чего она нагревается. Сами бланкеты защищают всю остальную махину от теплового, рентгеновского и уже упомянутого нейтронного излучения плазмы. Такая система необходима для того, чтобы продлить срок работы реактора.
Каждый бланкет весит порядка 4,5 тонны, их будет менять роботизированная рука примерно раз в 5—10 лет, так как этот первый ряд обороны будет подвержен испарению и нейтронному излучению. Но это далеко не все. К камере присоединяется внутрикамерное оборудование, термопары, акселерометры, уже упомянутые 440 блоков бланкетной системы, системы охлаждения, экранирующий блок, дивертор, магнитная система из 48 элементов, высокочастотные нагреватели плазмы, инжектор нейтральных атомов и т. И все это находится внутри огромного криостата высотой 30 метров, имеющего такой же диаметр и объем 16 тыс. Криостат гарантирует глубокий вакуум и ультрахолодную температуру для камеры токамака и сверхпроводящих магнитов, которые охлаждаются жидким гелием до температуры —269 градусов по Цельсию. Одна третья часть основания криостата.
Всего этот «термос» будет состоять из 54 элементов А так выглядит криостат на рендере. Его производство поручено Индии. Внутри «термоса» соберут реактор Криостат уже собирают. Тут, например, вы можете видеть окошко, через которое в реактор будут забрасывать частицы для нагрева плазмы Производство всего этого оборудования разделено между странами-участницами. Например, над частью бланкетов работают в России, над корпусом криостата — в Индии, над сегментами вакуумной камеры — в Европе и Корее. Но это отнюдь не быстрый процесс.
К тому же права на ошибку у конструкторов нет. Команда ITER сперва моделирует нагрузки и требования к элементам конструкции, их испытывают на стендах например, под воздействием плазменных пушек, как дивертор , улучшают и дорабатывают, собирают прототипы и опять тестируют перед тем, как выдать финальный элемент. Первый корпус тороидальной катушки. Первый из 18 гигантских магнитов. Одну половину сделали в Японии, другую — в Корее 18 гигантских магнитов D-образной формы, расставленные по кругу так, чтобы образовать непроницаемую магнитную стену. Внутри каждого из них заключены 134 витка сверхпроводящего кабеля Каждая такая катушка весит примерно 310 тонн Но одно дело собрать.
И совсем другое — все это обслуживать. Из-за высокого уровня радиации доступ к реактору заказан. Для его обслуживания разработано целое семейство роботизированных систем. Часть будет менять бланкеты и кассеты дивертора весом под 10 тонн , часть — управляться удаленно для устранения аварий, часть — базироваться в карманах вакуумной камеры с HD-камерами и лазерными сканерами для быстрой инспекции. И все это необходимо делать в вакууме, в узком пространстве, с высокой точностью и в четком взаимодействии со всеми системами. Задачка посложнее ремонта МКС.
Причем это только часть оборудования самого реактора. Добавьте сюда здание криокомбината, где будут вырабатывать жидкий азот и гелий, здание выпрямителей магнитной системы с трансформаторами, трубопроводы системы охлаждения диаметром по 2 метра , систему сброса тепла с 10 вентиляторными градирнями и многое-многое другое. На все это и идут миллиарды.
Но параметры плазмы на этой установке относительно высокие, они составляют конкуренцию зарубежным установкам аналогичного типа... Нашей команде сейчас требуется в минимальном объеме всего 10 млн руб. Нам вообще ничего не нужно, кроме аппаратуры реального времени, и еще некоторый объем средств на зарплату и командировки, чтобы молодые люди не уходили в коммерческие компании. И мы тогда можем идти по намеченному пути. В заключение можно отметить тот факт, что первая атомная электростанция была введена в эксплуатацию в городе Обнинск в 1954 году, а пуск первого токамака произведен также в 1954 году в ИАЭ им. Но это была экспериментальная установка и все последующие, включая ITER, — также экспериментальные установки типа токамак. Беседу вела Ирина Татевосян 2018 год Тем временем в Китае 30.
Он может стать первым реактором ядерного синтеза, генерирующим достаточно энергии для производства электричества. По словам одного из ведущих ученых, Китай сможет производить электроэнергию с помощью предлагаемого "искусственного солнца" уже через десять лет, если проект получит окончательное одобрение правительства. Строительство реактора ядерного синтеза может быть завершено к началу 2030х годов, если официальный Пекин даст добро, сказал профессор Сонг Юнтао сотрудникам средств массовой информации на конференции по контролю за выбросами углерода в Пекине в воскресенье. Китайский испытательный реактор Fusion Engineering Технология термоядерного синтеза, также известная как искусственное солнце, может обеспечить бесконечный запас чистой энергии, имитируя процесс ядерного синтеза на солнце, хотя технические сложности значительны, и попытки международного сообщества разработать данную технологию столкнулись с трудностями и растущими затратами. Руководство страны попросило ученых провести подготовительные работы по созданию Китайского испытательного реактора термоядерного синтеза CFETR , включая проектирование и строительство крупного испытательного центра в городе Хэфэй. Но Сонг, директор Института физики плазмы в Хэфэе, сообщил Beijing News, что окончательное разрешение еще не получено. Цель этого проекта заключается в том, чтобы CFETR стал первой установкой, вырабатывающей электроэнергию за счет тепла термоядерного синтеза. Для этого необходимо контролировать работу экстремально горячего газа - водорода, температура которого в реакторе должна достигать 100 миллионов градусов Цельсия 180 миллионов по Фаренгейту или даже превышать их. Фото: Синьхуа На первом этапе работы реактор рассчитан на получение стабилизированного выхода мощности - необходимой для выработки электроэнергии - в 200 мегаватт, что примерно соответствует мощности небольшой угольной электростанции. Китайский термоядерный реактор, вероятно, не будет первым в мире: строительство Международного термоядерного экспериментального реактора ITER на юге Франции почти завершено, и он может быть запущен к 2025 году.
Но после многочисленных задержек с момента начала строительства в 2007 году ИТЭР стал самым дорогим международным научным проектом в истории, который обойдется странам-участницам, включая Китай, в сумму от 45 до 65 миллиардов долларов США. И хотя он впервые воплотит в жизнь идею искусственного солнца, вырабатываемое им количество тепла не может быть устойчивым, чтобы генерировать достаточно энергии для производства электричества, как это делает китайский реактор. Сонг сказал, что Китай и другие страны оказывают содействие и следят за прогрессом во Франции, используя знания и технологии, разработанные для ITER, для совершенствования своих собственных проектов термоядерных реакторов - гонка за их разработку разгорается. Китайские исследования в области термоядерного синтеза изначально проводились с использованием российского оборудования и технологий, но в последние годы, по словам Сонга, Китай занял лидирующие позиции в этой области. В мае на моделирующем устройстве в Хэфэе была создана горящая плазма с температурой 150 миллионов градусов Цельсия, которая поддерживалась на стабильном уровне более 100 секунд, что является мировым рекордом. Ученые удерживали горячий газ, который был чрезвычайно непредсказуем и мог разрушить все, чего бы он ни коснулся, с помощью сверхсильного магнитного поля, созданного на основе сверхпроводников. Сонг сказал, что следующей целью китайского проекта будет увеличение продолжительности горения до 400, а затем до 1 000 секунд. По словам Сонга, эта разработка принесла положительные результаты и в других отраслях. Благодаря достижениям в исследованиях термоядерного синтеза, китайские производственные мощности по выпуску сверхпроводящих материалов увеличились в 10 000 раз, отметил он. Сверхпроводниковая продукция необходима в самых разных отраслях, от транспорта до медицинского оборудования, и рост производства позволяет значительно снизить ее цену.
Китайское правительство планирует начать массовое строительство термоядерных электростанций до 2060 года - крайнего срока для достижения поставленной страной цели по обеспечению углеродной нейтральности окружающей среды. В Британии 24. Утверждается, что технология приведёт к коммерчески выгодным компактным термоядерным реакторам и намного эффективнее альтернативных систем. Демонстрация установки состоится в 2022 году, а коммерческое распространение ожидается к 2030 году. Компания Tokamak Energy на государственные субсидии и частные инвестиции планомерно совершенствует сферические токамаки. Проведённые с тех пор модернизации позволяют поднять температуру плазмы до рекордных для такого малыша значений. Внутри токамака разогретая плазма удерживается сильнейшим магнитным полем, поэтому роль магнитов сложно переоценить. Особенно важны параметры магнитов для сферических токамаков с небольшим по объёму соленоидом по центру. Компания Tokamak Energy делает ставку на высокотемпературные сверхпроводящие магниты и технологии масштабирования магнитов. Чем сильнее магнит в меньшем исполнении, тем меньше размеры рабочей камеры реактора, и здесь на передний план выходит защита сверхпроводящих магнитов от повреждений плазмой.
Аналогичные разработки ведутся в США и в Великобритании. Гаспарян уточнил, что термоядерный реактор безопаснее, потому что в обычном происходит самоподдерживающаяся реакция деления, которая в случае аварии, как на «Фукусиме», может приводить к нежелательным последствиям. В термоядерном реакторе такого сценария быть не может. А реакция синтеза быстро останавливается при выключении питания. Фактически в качестве топлива используется вода, в которой содержится дейтерий.
Прорыв в термоядерном синтезе
Для той же установки NIF моделирование показывает, что термоядерная реакция вроде бы должна при нынешних параметрах запускаться без проблем, но физикам до сих пор не. Европейский токамак обновил рекорд по количеству полученной в ходе термоядерной реакции энергии. — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. С середины прошлого века физики всего мира ищут возможность воспроизвести реакцию термоядерного синтеза, происходящую в центре звезд. Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём.
Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии. Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+». Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков.
Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
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. И изначально NIF создавался как большой стенд для верификации нового поколения программ, симулирующих поведение ядерного оружия, а энергетическое направление было приятным бонусом, на который выделялось меньше трети фондирования.
Но команда термоядерщиков LLNL продолжала совершенствовать режимы работы лазеров, конструкцию хольраума и капсулы. Вместе это позволило поднять симметричность и стабильность сжатия капсулы, побороть лазерно-плазменные неустойчивости на хольрауме, увеличить эффективность передачи энергии от лазеров на хольраум и от хольраума на сжатие капсулы. Как работает NIF Специально профилированный во времени затравочный импульс «мастер-лазера» расщепляется на 192 луча, каждый из которых проходит 4 раза через 192 усилителя лазерного излучения и направляется на систему преобразования частоты, где исходное инфракрасное превращается в рабочий ультрафиолет.
Через систему фокусировки 192 луча с точностью в 10 микрон проходят через окна в хольрауме, попадая на его внутренние стенки, за 10 наносекунд разогревая их до 3 миллионов градусов.
Полученные значения тройного произведения более чем в 1000 раз превышают данные середины 70-х годов прошлого века, когда стартовали первые крупные токамаки с дополнительным нагревом плазмы 3 3. И то, и другое сопряжено с существенным удорожанием установки. Именно на реализацию проекта ИТЭР в последнее десятилетие были направлены основные усилия мирового термоядерного сообщества. При этом большинство участников вполне плодотворно использовали добытые общими усилиями при проектировании ИТЭРа знания и технические решения в своих национальных программах. И наоборот, данные, получаемые в ходе исследований, выполняемых национальными командами, анализируются и учитываются в проекте ИТЭР. Отметим, что планируемые режимы работы ИТЭРа основаны на довольно консервативных представлениях и достаточно обоснованы предшествующими экспериментами [ 9 ]. Вместе с тем ИТЭР — это качественный скачок в токамакостроении.
Для примера: объём плазмы ИТЭРа равен 840 м3, что более чем в 10 раз превосходит объём плазмы самого крупного из действующих токамаков — токамака JET. Строительство и запуск ИТЭРа призваны продемонстрировать работоспособность идеологии, позволяющей создать на базе токамака термоядерный энергетический реактор. Основной задачей экспериментов на ИТЭРе будут отработка и испытание важнейших технологий и компонентов реактора. Принципиально важной станет проверка концепции использования вольфрама в качестве материала для диверторных пластин — как самого тугоплавкого металла — в условиях ожидаемых на ИТЭРе огромных потоков энергии. Напомним, что наилучшие режимы удержания плазмы получены сегодня при использовании покрытий с низким зарядовым числом атомов в составе покрытия — углерода и бериллия; в ИТЭРе этими материалами будет покрыта первая обращённая к плазме стенка вакуумной камеры. Вопрос о том, будут ли и в каком количестве ионы вольфрама поступать в основную плазму, снижая её температуру за счёт излучения, может быть окончательно решён только в ходе экспериментов на ИТЭРе. Начиная с 2016 г. В августе 2020 г.
Это событие стало предметом пристального внимания со стороны масс-медиа и заслужило ряд приветственных обращений высшего политического руководства стран — участников проекта. Отметим, что в случае соблюдения действующего ныне графика строительства, выполнения всеми сторонами своих обязательств и преодоления последствий пандемии 2020—2021 гг. По мнению авторов, основные проблемы вполне понятны и могут быть поименованы. Во-первых, это колоссальная технологическая сложность самого устройства, которая особенно ясно проявилась в проекте ИТЭР. Протекающий по плазме токамака электрический ток в тороидальном магнитном поле обеспечивает как формирование итоговой магнитной конфигурации, являющейся идеальной ловушкой для удержания частиц плазмы, так и нагрев этой плазмы. Однако для длительного устойчивого удержания плазмы термоядерных параметров требуется множество инженерных систем, создание которых находится на пределе имеющихся технологических возможностей. Так, например, стационарность требует сверхпроводимости магнитных обмоток; при этом на стенку камеры и в дивертор идут колоссальные потоки тепла. Понятно, насколько серьёзными должны быть инженерные решения, обеспечивающие такое соседство.
В основе процесса лежит синтез атомных ядер из более легких в более тяжелые с выделением энергии. 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.
Тем не менее полученный NIF результат пусть и не сенсационен, но тоже очень важен. Он на порядок лучше, чем всё то, что на NIF удавалось получить до сих пор, и к тому же заключает в себе первые серьезные намеки на принципиальную осуществимость проекта. Управляемый термоядерный синтез Есть два основных типа ядерных реакций, которые идут с выделением энергии, — это расщепление тяжелых ядер например, урана или плутония и слияние легких ядер обычно дейтерия и трития — тяжелых изотопов водорода, рис. Энергия, получаемая при расщеплении — это то, что обычно называется ядерной энергией, именно на ней работают атомные электростанции.
Энергия, получаемая при слиянии, называется термоядерной энергией, а сам процесс — термоядерным синтезом. Энергетический выход термоядерной реакции существенно выше, чем у ядерного топлива, однако приручить этот тип энергии пока не удалось. Конечно, существуют атомные бомбы, работающие по обоим принципам, но их взрыв представляет собой неуправляемую реакцию, и для целей добычи энергии он не подойдет. Классическая реакция термоядерного синтеза: ядра дейтерия и трития сливаются друг с другом с образованием альфа-частицы и свободного нейтрона и с выделением энергии. Рисунок из статьи M. Herrmann, 2014. Plasma physics: A promising advance in nuclear fusion Большинство специалистов связывают основные надежды по достижению управляемого термоядерного синтеза с магнитными ловушками , и прежде всего с международным проектом ITER для первого серьезного знакомства можно порекомендовать лекцию Кристофера Ллуэллин-Смита На пути к термоядерной энергетике.
Но параллельно с этим уже давно разрабатывается и другая схема для запуска управляемой термоядерной реакции — инерциальный термоядерный синтез. Она еще не так развита, как термояд с магнитным удержанием, но некоторые специалисты надеются, что именно на этом пути будет получен первый удобный источник термоядерной энергии. Принцип работы инерциального термоядерного синтеза звучит просто. Берем маленькую капсулу с дейтериево-тритиевой смесью и резко сжимаем ее, например, с помощью сверхмощного лазерного импульса. Капсула от такого сжатия сильно нагревается, и в самом ее центре в условиях высоких температур и давлений зажигается термоядерная реакция. Выделяющаяся энергия разогревает остальную часть дейтериево-тритиевого горючего, и термоядерная реакция охватывает всю капсулу. Подставляя всё новые и новые капсулы под лазерный луч, мы получаем постоянное производство энергии.
К сожалению, техническая реализация этой простой идеи неимоверно сложна. Трудности здесь, в основном, технического характера прежде всего, неустойчивости при сжатии капсулы , но преодолеть их пока не получается. Для той же установки NIF моделирование показывает, что термоядерная реакция вроде бы должна при нынешних параметрах запускаться без проблем, но физикам до сих пор не удавалось не только выйти на этот режим, но и даже приблизиться к нему. Главный результат новых публикаций NIF заключается как раз в том, что эмпирическим путем был подобран такой режим работы, при котором по крайней мере одна трудность была преодолена, и стали появляться первые намеки на настоящую термоядерную реакцию с хорошим энергетическим выходом. Работа установки NIF Чтобы зажечь термоядерную реакцию в капсуле с топливом, требуется создать в ее центре область очень высокой температуры порядка 100 млн градусов и большой плотности. При меньшей температуре реакция термоядерного синтеза толком не начнется, а при низкой плотности центральная область быстро остынет, не сумев дать заметный энергетический выход. Но для полноценного термоядерного горения этого мало.
Если мы хотим, чтобы центральная область не просто загорелась и потухла, а породила самоподдерживающийся термоядерный синтез во всей капсуле, нужно, чтобы топливо разогревало само себя. Это происходит тоже при высоких плотностях, когда рождающиеся в термоядерном синтезе альфа-частицы поглощаются прямо внутри топливной капсулы, а не улетают прочь. Таким образом, можно сформулировать три ключевых задачи для установки NIF: 1 добиться существенного термоядерного синтеза — количество энергии, выделившейся при синтезе, должно превышать энергию, поглощенную топливом; 2 добиться устойчивого термоядерного горения всей топливной капсулы за счет саморазогрева альфа-частицами; 3 добиться полной эффективности выше единицы — то есть энергетический выход должен превышать всю энергию, затраченную на зажигание реакции, а не только ту часть, которая поглощается непосредственно топливом. Достижение этих целей — задача исключительно непростая. Если просто изготовить капсулу из нужного топлива и сфокусировать на ней мощный лазерный луч, то никакого сжатия не произойдет: капсула просто нагреется и испарится. Даже если сфокусировать несколько лазерных лучей со всех сторон, тоже проку будет немного. Капсула частично испарится, частично сожмется, но сжатие будет сопровождаться сильными искажениями формы это неустойчивость Рэлея—Тейлора , характерная для многих гидродинамических течений.
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.
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
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.
В таких условиях экстремальная температура, сравнимая с температурой звезд, приводит к тому, что изотопы водорода начинают сливаться с образованием ядер гелия, высвобождая дополнительную энергию и создавая каскад термоядерных реакций. Термоядерные реакции синтеза производят альфа-частицы, энергия которых нагревает все остальное топливо. Исследователи классифицирует ее как воспламенение англ. Ignition — самоподдерживающую реакцию термоядерного синтеза, при которой выделяется больше энергии, чем тратится на ее поддержание. Чтобы добиться безубыточной реакции синтеза, физики внесли изменения в ход эксперимента, основываясь на результатах предыдущих исследований.
Они увеличились мощность лазеров примерно на восемь процентов, а также изготовили мишень с меньшим количеством дефектов и отрегулировали способ подачи энергии, чтобы взрыв внутрь был более сферическим. До коммерческого получения термоядерной энергии еще далеко Пока что о коммерческом получении термоядерной энергии речь не идет. 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.
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".
Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений физики высоких плотностей энергии. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Мишени прямого облучения представляют собой полую стеклянную или полимерную сферическую оболочку с высокой однородностью толщины, заполненную либо газообразной смесью дейтерий-тритий, либо дейтерием. Диаметр сферы от 200 до 1000 мкм, толщина стенки 0,5—15 мкм, давление газа внутри оболочки 1—100 атм. На внешнюю поверхность сферы может быть нанесено какое-либо покрытие.
Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений физики высоких плотностей энергии. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Мишени прямого облучения представляют собой полую стеклянную или полимерную сферическую оболочку с высокой однородностью толщины, заполненную либо газообразной смесью дейтерий-тритий, либо дейтерием. Диаметр сферы от 200 до 1000 мкм, толщина стенки 0,5—15 мкм, давление газа внутри оболочки 1—100 атм. На внешнюю поверхность сферы может быть нанесено какое-либо покрытие. Мишени непрямого облучения представляют собой мишень прямого облучения, заключенную в сферический или цилиндрический кожух диаметром 1—4 мм из металла с высоким атомным номером. Мишень для исследования уравнения состояния в лазерных экспериментах представляет собой базовую пластину из алюминия или меди толщиной 40—60 мкм, на одну из сторон которой нанесены в виде ступеньки слои из материала базы и исследуемого материала толщиной 4—10 мкм. Ступеньки отстоят друг от друга на расстоянии 50—100 мкм. Другая сторона мишени, на которую воздействовал лазерный импульс, покрывалась слоем полипараксилилена толщиной 8—10 мкм. Шероховатость поверхности не превышала 80 нм для свинца, 50 нм для алюминия и 10 нм для меди и полипараксилилена. При диагностике лазерного излучения и исследованиях плазмы на мощных лазерных установках ИЛФИ "Искра-5", "Луч" для проведения с субнаносекундным временным разрешением временной, пространственно-временной и спектрально-временной регистрации используются фотохронограф с щелевой разверткой СЭР-4 — для видимого и ближнего ИК-излучения, рентгеновский фотохронограф с щелевой разверткой РФР-4 — для мягкого и сверхмягкого рентгеновского излучения.
Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние. Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора.
Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
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.
И вот человек, инженер-радиоэлектроник, говорит мне: «Мы еще знали в советское время, что если произвести в сотнях километров 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.
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. Физики будут продолжать свои эксперименты, чтобы снова воссоздать самоподдерживающийся термоядерный синтез.
Прорыв уже широко обсуждался учеными, добавили источники. Если результаты подтвердятся, это будет означать, что исследователями из Ливерморской лаборатории удалось добиться цели, недостижимой в течение десятилетий. Ранее в этом году, в ходе оглашения стратегии развития термоядерной энергии, один из американских конгрессменов заявил, что технология является «святым граалем» чистой энергетики и потенциально способна избавить большее число людей от бедности, чем открытие огня. Большинство исследований пока связаны с т. Если ранее термоядерной энергетикой занимались преимущественно государственные учреждения, то в последнее время инвестиции в соответствующую отрасль потекли и в частные компании, обещающие создать работоспособные технологии к 2030-м годам. Хотя многие учёные считают, что до появления термоядерных электростанций пройдут ещё десятилетия, новости невозможно игнорировать.