В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М. Слишком часто разработчики термоядерных реакторов сталкивались с непредсказуемостью, завышенными оценками, новыми неприятными фактами из области физики плазмы.
Эра термоядерного синтеза
Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF). В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии. Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии. В запущенном в Китае реакторе термоядерного синтеза использовалось достижение российских ученых, создавших устройство, отслеживающее температуру плазмы.
Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить
Термоядерный синтез представляет собой процесс, во время которого два лёгких атомных ядра объединяются в одно более тяжёлое с высвобождением большого количества энергии. Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку. «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции.
Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза
Результаты исследования помогут развитию энергоэффективной термоядерной энергетики.
Если технологии позволят недорого получать гелий-3 из лунной пыли, то этого будет достаточно для энергоснабжения всей планеты на тысячи лет. Останется лишь построить нужный реактор токамак. Реакция термоядерного синтеза слияния двух легких ядер в одно более тяжелое , в ходе которой высвобождается колоссальное количество энергии Почему сложно построить реактор для синтеза Атомы всех окружающих нас веществ состоят из ядра и электронной оболочки. Ядра заряжены положительно, поэтому, согласно закону Кулона, они отталкиваются. Чтобы соединиться, им нужно преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние действия ядерных сил — 10-15 метра один метр, деленный на единицу с пятнадцатью нулями. Для этого необходима огромная энергия, которую можно получить в виде тепла. Солнечный климат для этого идеален, температура внутри звезды достигает экстремальных величин — 15 миллионов градусов.
Вещество при такой температуре переходит в состояние плазмы, работать с которой в земных условиях не так-то просто. Плазма считается четвертым агрегатным состоянием вещества. Если нагреть твердое вещество, оно становится сначала жидким, затем газообразным и, наконец, — плазмой. При температуре в десятки тысяч градусов атомы газа теряют свои электроны и превращаются в ионы — свободные электрические заряды. Такой газ называется ионизованным и является средой, проводящей электрический ток. В естественных условиях Земли плазма встречается в виде разрядов молний или в магнитосфере планеты при полярном сиянии. В космосе она буквально повсюду: материя в межгалактическом пространстве существует именно в плазменной форме. Солнце и звезды тоже являются сгустками сильно нагретой плазмы.
Вещество в состоянии плазмы видел каждый, когда в небе сверкала молния , а вот удержать и сжать такое вещество — задачка не из легких, но ее необходимо решить для реализации управляемого термоядерного синтеза на Земле. Фото iStock Удержать плазму внутри построенных человеком установок тяжело — нагреваясь до миллионов градусов, она плавит даже самое прочное покрытие. Поэтому стенки камер реактора для управляемого синтеза не должны соприкасаться с плазмой. Другое важное условие использования плазмы — сжатие. Если не сжимать разогретую плазму со всех сторон равномерно, она выскользнет, остынет, и реакции в ней прекратятся. Плазма подобна надутому воздушному шарику — как бы равномерно вы ни надавливали на него, шар всегда будет просачиваться через пространство между пальцами. Солнечная плазма не разлетается по всему космосу из-за огромной массы звезды — ее гравитационное давление постоянно сжимает ядра атомов вместе. Масса Земли в 330 тысяч раз меньше, поэтому создать подобное давление на нашей планете невероятно трудно.
Каждый раз, когда ученые пытались сжать плазму в реакторе, она выплескивалась наружу.
Воспроизвести процессы, идущие в сердцах звезд, — непростая задача. Наиболее распространенная конструкция термоядерных реакторов — токамаков — работает за счет перегрева плазмы. Термоядерным реакторам требуются температуры во много раз выше, чем на Солнце, потому что они должны работать при гораздо более низком давлении. Разогреть плазму несложно, но пока не получается найти способ долго удержать ее, чтобы она не прожигала стенки реактора, не нарушая при этом процесс термоядерного синтеза.
Валентин Гибалов Физики совершили прорыв в поисках бесконечной и экологически чистой энергии, сообщила в понедельник Financial Times со ссылкой на источники и вслед за ней — сотни других изданий. Ученые из Ливерморской лаборатории подтвердили : они смогли получить на лазерной установке NIF больше энергии, чем было потрачено на зажигание термоядерной реакции. Было много раз сказано «прорыв» и «впервые». Попробуем разобраться, что случилось. Термоядерную реакцию вполне серьезно можно назвать «святым Граалем» энергетики. Топливом для нее служат доступные человеку изотопы водорода — дейтерия, например, на Земле целый океан, никаких долгоживущих радиоактивных отходов, никаких выбросов парниковых газов — просто мечта. Но грааль этот кажется почти недоступным.
Для того, чтобы положительно заряженные ядра слились, нужно преодолеть кулоновское отталкивание, нужна сила, которая их сблизит и удержит достаточно долго, чтобы произошла реакция. Для запуска слияния ядер изотопов водорода — нужны экстремально высокая температура и давление — как в недрах Солнца. Для термоядерной бомбы такие условия создает бомба плутониевая, которая играет роль запала. Но взрыв водородной бомбы вряд ли можно рассматривать как надежный источник энергии. Магистральным путем для попыток создать устойчиво работающий термоядерный реактор стали токамаки, где плазменный шнур в тороидальной камере удерживает магнитное поле. Ученые рассчитывали, что при достаточно высокой температуре в этом шнуре начнется реакция с положительным выходом энергии, то есть энергии будет выделяться больше, чем затрачено. Рассчитывают они на это и сейчас, и строят в надежде на это международный термоядерный реактор ИТЭР читайте о нем в нашем материале «Солнце в бутылку!
Быстрее взрыва Но наш главный герой — устройство, совсем не похожее на токамак. Это установка NIF National Ignition Facility — можно перевести как «Национальная зажигательная лаборатория» была построена в США в конце 1990-х годов для изучения управляемого термоядерного синтеза с инерциальным конфайнментом и непрямым лазерным обжатием. Главное слово в этом длинном поезде терминов — прилагательное «инерциальный». Если вы попытаетесь нагреть капсулу с термоядерным топливом скажем, смесью дейтерия и трития до очень высоких температур, при которых теоретически может начаться реакция синтеза, то задолго до нужного градуса и капсула и ее содержимое испарятся и рассеются в пространстве. Именно поэтому создатели токамаков тратят столько усилий на удержание плазмы в ограниченном объеме, чтобы не терять нужные для синтеза плотность и температуру топливной смеси. Но если вы сумеете сжать и нагреть топливо очень быстро и очень сильно, то термоядерная реакция в нем будет идти быстрее, чем разлет вещества капсулы и ее охлаждение. Иначе говоря, инерциальное удержание то есть конфайнмент состоит в том, что и реакция, и выделение энергии происходят до того, как вещество наконец соберется разлететься — точно как в термоядерной бомбе после того, как в ней сработает атомный запал.
Как это сделать? Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного внутрь симметричного взрыва — имплозии — обычной взрывчатки. В 1978 году в письме в Nature физики из ядерного центра в Арзамасе-16 сообщали , что проводили такие эксперименты в 1955 и 1963 годах и достигли успеха — то есть смогли зафиксировать нейтроны, порожденные, по их мнению, термоядерной реакцией в тритиево-дейтериевой мишени. Но к тому моменту у ученых появился значительно более удобный, чем раствор нитробензола в тетранитрометане , инструмент — лазер. Лазерный пресс Один из изобретателей лазера Николай Басов в 1964 году вместе с коллегами опубликовал в ЖЭТФ статью , где рассматривал тонкости нагрева плазмы лазерным излучением, а уже через несколько лет рассказал о результатах первых экспериментов с мишенью из дейтерида лития и они увидел нейтроны, что могло свидетельствовать о термоядерной реакции.
Эра термоядерного синтеза
| Физика плазмы и инерциальный термоядерный синтез | Ученые развивали идею термоядерного синтеза с инерционным удержанием в лаборатории в течение почти 60 лет, пока впервые достигли успеха. |
| Термоядерный реактор: что это, как устроен, международный термоядерный реактор ИТЭР | Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. |
Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
| Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова | Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. |
| Физики США вторично добились положительного термоядерного синтеза | В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М. |
| 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. |
| и | — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. |
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
Японские инженеры и ученые также работают над магнитной системой, в частности, над дизайн-проектом катушек тороидального поля и над получением сверхпроводящих ниобий-оловянных стрендов. Получение первой плазмы на установке ИТЭР запланировано на 2025 год, выход на полную мощность — на 2035 год. Недавно о желании присоединиться к проекту заявили Австралия и Иран. Это еще одна из важнейших задач, которую должен решить ИТЭР. Кстати, бланкет и дивертор — основные плазменные компоненты. Следует отметить, что первая стенка реактора, та, что ближе всего к плазме, всего в трех метрах от нее, — неотъемлемая часть бланкета.
Идея разделения этих двух компонентов была отброшена в 1980-х годах; ученые пришли к их унификации для удобного и безопасного обслуживания. Бланкет со встроенной наработкой трития и интегрированной первой стенкой реактора обеспечит защиту от высокоэнергетических нейтронов. В ИТЭР первая стенка будет изготовлена из бериллия, а для остальной поверхностной структуры будут использоваться высокопрочные медные сплавы и нержавеющая сталь. Для удобства обслуживания защитная стенка внутри реактора модульная, состоящая из 440 сегментов. Дивертор от англ.
Его главная функция — минимизировать плазменное загрязнение, а также отводить тепловые и нейтронные нагрузки от стенок реактора. Дивертор будет состоять из 54 кассетных сборок с опорной конструкцией из нержавеющей стали, бронированной вольфрамовыми плитками. Три главных плазменных звена: внутренняя и внешняя вертикальные мишени, центральный купол — составляют диверторную сборку. И для дивертора, и для бланкета будет внедрена система охлаждения, отводящая тепло от этих устройств и преобразовывающая его в электрическую энергию. Вид вакуумного сосуда с основными положениями компонентов, обращенных к плазме: первой стенки, бланкета и дивертора Рис.
Вид в поперечном разрезе основных компонентов стенки токамака Рис. Схематическое изображение диверторного узла Осторожно, «горящая плазма»! Один из важнейших критериев проекта — безопасность. При осуществлении термоядерного синтеза не инициируется цепная реакция, а значит, при любом нарушении или прекращении подачи топлива плазма охлаждается в течение нескольких секунд и затухает, словно пламя. Тритий, содержащийся в топливе, будет вырабатываться в замкнутом контуре, поэтому должны строго соблюдаться меры безопасности при обращении с тритиевым топливом внутри реактора.
Тритий — слабый бета-излучатель, он не проникает в человеческую кожу, но очень токсичен для организма при попадании через дыхательные пути. ИТЭР был разработан для защиты от выброса трития и воздействия радиоактивности на работников. Также стоит учесть активацию внутренних компонентов и плазменной камеры при взаимодействии с нейтронами высокой энергии. Материалы внутри реактора могут быть загрязнены небольшим количеством радиоактивной пыли. Но потенциальные отходы будут обрабатываться, упаковываться и храниться прямо на месте, а период полураспада большинства радиоизотопов, содержащихся в этих отходах, составит менее 10 лет.
Таким образом, в течение 100 лет радиоактивность материалов уменьшится настолько, что их можно будет переработать и в дальнейшем использовать на других термоядерных установках. ИТЭР находится в области с умеренной сейсмической активностью, однако строится из специально армированного бетона и опирается на плиты, рассчитанные на землетрясения; сейсмические датчики вокруг площадки контролируют даже незначительную сейсмическую активность.
В данном случае речь идёт о выработке минимального количества энергии, очень далёкого от промышленных масштабов. Если точнее, этой энергии хватило бы на то, чтобы вскипятить 10 чайников воды. Однако само по себе научное достижение от этого менее значимым не становится.
Затем сработала аварийная защита. Установка NIF принципиально отличается он токамаков. Термоядерная реакция протекает за миллионные доли секунды при сжатии термоядерного топлива в виде шариков размером с маковое зерно — смеси из трития и дейтерия. Для сжатия используют мощные лазеры. Этот принцип создания и поддержания управляемой термоядерной реакции поэтому и называется лазерный термояд; или — инерциальный. Термояд по капле «Это историческое достижение для исследователей и сотрудников NIF, которые посвятили свои карьеры тому, чтобы увидеть, как термоядерный синтез становится реальностью, и это достижение, несомненно, повлечет за собой новые открытия», — заявила министр энергетики США Дженнифер Грэнхолм. Рекордный эксперимент обошелся американскому налогоплательщику в 3,5 млрд долл. Почему так дорого? Сердце реактора NIF — 192 мощных лазера, которые одновременно направляются на миллиметровую сферическую мишень около 150 микрограммов термоядерного топлива — смесь дейтерия и трития; возможно, в дальнейшем радиоактивный тритий можно будет заменить легким изотопом гелия-3, которого так много на Луне. Температура мишени достигает в результате 100 млн градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд раз превышает давление земной атмосферы. То есть условия в центре мишени сравнимы с условиями внутри Солнца. Энергия самого лазерного луча при этом составляет около 1 МДж. Представьте теперь цепочку падающих в лазерное перекрестье шариков с компонентами термоядерного топлива фактически миниатюрных водородных микробомбочек. И, соответственно, непрерывную цепочку микровзрывов… Даже сложно вообразить, как физикам удалось достичь синхронности работы этих лазеров и идеально равномерного обжатия мишени! Совершенно справедливо администратор Нaциoнaльнoй администрации по ядерной безопасности NNSA Джилл Хруби назвала проведенный эксперимент «чудом инженерной мысли». Но вот придумали такую схему… в СССР. Идея инерциального термоядерного синтеза была сформулирована в 1962 году академиком Николаем Геннадьевичем Басовым и тогда еще не академиком Олегом Николаевичем Крохиным. Басов выступал на сессии Академии наук СССР и определил лазерный термояд как одно из направлений управляемого термоядерного синтеза. Он даже оценил, какая мощность лазера должна быть, чтобы зажечь термоядерную реакцию в этих условиях. Как раз 13 декабря, за день до 100-летнего юбилея Николая Басова, на заседании Президиума Российской академии наук, посвященном этой дате, академик, заместитель директора Российского федерального ядерного центра «ВНИИЭФ» по лазерно-физическому направлению Сергей Гаранин подчеркнул: «Фактически достигнуто зажигание термоядерного горючего. Эти результаты достигнутые на NIF. Михаил Мишустин 18 мая 2021 года принял участие в церемонии физического пуска установки управляемого термоядерного синтеза токамак Т-15МД в Курчатовском институте.
В меньшей степени это затронет рынок нефти. Газ и нефть в значительной мере потребляются не для сжигания, а для разного рода синтетических процессов. Соответственно, эта часть спроса сохранится. А вот энергетический уголь пострадает довольно сильно. Но пока стадия, в которой находятся исследования, не позволяет сделать надежных выводов. Если действительно реактор, работающий на ядерном синтезе, удастся технически реализовать, это будет огромный прорыв. Это сильно изменит мировую экономику. Причем очень сильно. Но пока это все-таки относится к области научной фантастики, это достаточно далеко от реальности».
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
Пара слов о физике плазмы: на волне Волна боянов, Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост. Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+».
Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
Ранее, 29 октября, в пресс-службе научного дивизиона «Росатома» сообщили , что российские ученые до конца этого года получат «прорывной» прототип оборудования для будущего отечественного термоядерного реактора. Как пояснил Гаспарян, это перспективный источник энергии, который считается будущим энергетики — запас топлива для него практически неисчерпаем. Работы ведутся по всему миру. Сейчас всё внимание приковано к международному проекту ITER Международный экспериментальный термоядерный реактор.
Россия получила ценный опыт при разработке отдельных элементов проекта.
Проект разрабатывается с середины 1980-х годов, закончить строительство главной конструкции планируют в 2025 году. В готовом виде токамак ИТЭР будет представлять собой 60-метровое сооружение массой 23 000 т. Знаете, почему термоядерный реактор не могут построить уже 50 лет? Hi-Tech Mail.
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. Физики будут продолжать свои эксперименты, чтобы снова воссоздать самоподдерживающийся термоядерный синтез.
Она первая за последние 20 лет. А запустили ее в рамках Года науки в Курчатовском институте. Размеры компактные, но мощность запредельная. И перспективы для энергетики тоже. Когда мы ее полностью нагреем — 100 миллионов градусов», — сообщил научный руководитель комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт» Петр Хвостенко.
Температура в 10 раз больше, чем в центре Солнца, и задачи космического масштаба — запустить термоядерные реакции, которые происходят в недрах звезд. Звезда по имени токамак — рукотворное Солнце на поверхности на Земле. Эта установка дает надежду на светлое будущее — термоядерный синтез может обеспечить человечество чистой энергией на тысячелетия вперед. И запуск российской установки — большой шаг на этом пути. Токамак Т-15 МД размером с небольшой дачный домик полностью спроектировали и построили в России за 10 лет.
Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза
Физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии, чем потребил. Американские физики утроили энергетическую эффективность экспериментального термоядерного реактора NIF. Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике.
Главные новости
- Прорыв в термоядерном синтезе | Канал Наука | Дзен
- Мировой рекорд
- Последние комментарии
- ядерная физика, все новости – «ВЗГЛЯД.РУ»