Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции.
Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова
Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. Реакторы термоядерного синтеза имитируют ядерный процесс внутри Солнца, сталкивая более легкие атомы вместе и превращая их в более тяжелые. Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции.
Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
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. Порождённые этим процессом рентгеновские лучи пронизали шарик топлива, состоящего из дейтерия и трития. За время меньшее 100 триллионных долей секунды шарик принял на себя 2,05 МДж энергии и выдал поток нейтронов, порождённых синтезом, унесших с собой 3 МДж энергии — в полтора раза больше, чем было потрачено.
В термоядерном синтезе используется обратный принцип: вместо расщепления тяжелых элементов соединяются синтезируются легкие — водород и гелий. Точно такие же процессы протекают в центре звезд. Синтез сопровождается выделением огромного количества энергии, но чтобы он осуществился, требуются уникальные условия. Почему же ученые так упорно ищут подходы к УТС, когда у них уже есть атомная энергетика? Потому что у термоядерного синтеза есть главное неоспоримое преимущество — близкая к идеалу теоретическая энергоэффективность. Ключевая сложность — условия , которые требуется создать, чтобы атомы водорода соединились друг с другом. В ядре Солнца они подвергаются колоссальному давлению вкупе с огромной температурой. Создать такую гравитацию в лабораторных условиях невозможно, поэтому приходится разогревать среду еще сильнее. Так, если в центре нашего светила температура составляет около 15 млн градусов Цельсия, то в термоядерном реакторе — около 150 млн. Разумеется, никакое вещество не способно выдержать подобного жара, поэтому основная задача, над которой сегодня бьются ученые — удержание плазмы как можно дальше от стенок реактора, чтобы они не расплавились. Насколько это опасно Эксперты Курчатовского института замечают , что термоядерный синтез не является цепной реакцией. То есть при нарушениях в работе установки процесс попросту остановится.
Взамен мы получаем право на безвозмездную лицензию для уже нашей собственной термоядерной программы и создания нашего реактора. Анатолий Красильников: «Понимаете, мир сейчас очень сложный, турбулентный, разные есть события, отношения между странами. А вот ИТЭР — как ледокол: идет, и об его крепкий корпус все мелочные нюансы текущей жизни мировой разбиваются. И люди учатся — и ученые, и не ученые, руководители — учатся работать вместе, имея в виду учет интересов партнера. Причем это разные ментальности, разные цивилизации, империи, если хотите, участвуют в проекте ИТЭР». Главное сейчас — чтобы в этом проекте не было никакого протекционизма или энергетических воин. Чтобы Европейский союз, который имеет в этом проекте 45 процентов, не стал бы заставлять Россию играть по своим правилам, используя так называемый Европейский энергетический пакет, а США, у которых в ИТЭР, как и у России, 9 процентов, не стали бы потом шантажировать европейские компании, участвующие в строительстве газопровода «Северный поток — 2». Впрочем, главное отличие термоядерной энергетики — именно в неисчерпаемости топлива. И в этом смысле ИТЭР создает тот энергоресурс, который может использоваться бесконечно.
Положительный КПД в токамаках и стеллараторах стабильно получают как бы не с конца 80х; первая экспериментальная термоядерная электростанция строится в Европе с 90х, и начала бы свою работу до 2030, если бы современные европейские элиты не были полными идиотами. В Китае прототип промышленной термоядерной электростанции был продемонстрирован пару лет назад.
Поддерживаемый Биллом Гейтсом стартап по термоядерному синтезу превзошел температуру Солнца
Также по теме Российский токамак с реакторными технологиями ТRТ находится на стадии разработки эскизного проекта, концепция будущего термоядерного... Однако учёные придумали, как объединить свойства обоих металлов в одной конструкции. Этот слой будет принимать на себя основную атаку — и плазмы, и химически активного лития», — объяснил RT кандидат химических наук, заведующий лабораторией гетерогенного синтеза тугоплавких соединений ИФХЭ РАН Владимир Душик. Созданное таким методом вольфрамовое покрытие не имеет пор, что является важным преимуществом — это исключает риск взаимодействия медной подложки с агрессивной средой. Ошибка в тексте?
Учёные из Института физики плазмы имени Макса Планка IPP нашли способ значительно уменьшить расстояние между горячей плазмой в устройствах ядерного синтеза и стенкой корпуса. Если ранее считалось, что расстояние между краем термоядерной плазмы и дивертором особенно термостойким элементом внутренней стенки корпуса должно составлять не менее 25 сантиметров, то в экспериментах на ASDEX Upgrade удалось сократить это расстояние до менее чем 5 сантиметров без повреждения стенки.
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. 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.
Криостат, помимо механических функций опора деталей токамака и их защита от повреждений будет выполнять роль вакуумного «термоса», являясь барьером между внешней средой и внутренней полостью.
Для этого на внутренних стенках криостата размещены тепловые экраны, охлаждаемые азотным контуром 80 К. Криостат имеет множество отверстий для доступа к вакуумной камере, трубопроводов системы охлаждения, фидеров питания магнитных систем, диагностики, дистанционного манипулятора, систем нагрева плазмы и других. Доставить сборку таких размеров целиком тяжело и дорого, поэтому было принято решение конструктивно разбить криостат на четыре крупных фрагмента поддон, две цилиндрические обечайки и крышка. Каждый из этих фрагментов будет собираться из более мелких сегментов. Всего сегментов 54. Их производством занята Индия. Затем фрагменты, после сборки в Здании криостата, по очереди будут перемещены и установлены на место — в шахту реактора [33]. Для снижения влияния нейтронного излучения токамака на окружающую среду криостат будет окружён «одеялом» из специального бетона, которое называют «биозащита» англ. Толщина биозащиты над криостатом составит 2 м.
Эти выступы на сайте ITER называют «короной» «crown». Арматура элементов короны имеет очень сложный макет; для приготовления бетона будет использован гравий , добываемый в Лапландии [34]. Control, Data Access and Communication — управление, доступ к данным и связь является основной системой управления при эксплуатации ИТЭР-токамака. В настоящий момент команда проводит консультации с ведущими институтами и привлечёнными компаниями в целях принятия наилучших технических решений для ИТЭР. Central Safety Network — Сеть централизованной защиты ; терминалы; датчики. Организационно вся система управления делится на следующие подразделения: Центральный контроль и автоматизация, мониторинг и обработка данных Central supervision and automation, monitoring and data handling. Отображение данных и управление HMI англ. Human Maсhine Interface. Подразделение включает в себя терминалы и мнемосхемы, системы Центральной блокировки CIS англ.
Central Safety System. Обе системы обладают собственными регистраторами параметров. Группа управления ITER англ. В составе два сервера: сервер обслуживания и приложений; шлюз доступа к каналам данных. Система токамака англ. Система обеспечивает получение потока данных с токамака и осуществляет непосредственное управление исполнительными механизмами. Система состоит из трёх уровней: Контроллеры. Каждый контроллер соединён шиной со своим интерфейсом. Интерфейсы в большинстве своем аналого-цифровые преобразователи преобразуют аналоговые данные с датчиков в цифровые данные.
Некоторые интерфейсы преобразуют команды, полученные от контроллеров в команды для исполнительных механизмов.
Эра термоядерного синтеза
Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский. Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы.
Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
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. Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+». Все самое интересное и актуальное по теме "Ядерная физика". Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного.
ядерная физика
| Выбор сделан - токамак плюс | Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. |
| «Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза | Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и. |
| Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова - МК | На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора. |
| Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова - МК | Термоядерный синтез представляет собой процесс, во время которого два лёгких атомных ядра объединяются в одно более тяжёлое с высвобождением большого количества энергии. |
| Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии | Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. |
Ракетчики начали строить термоядерный двигатель
Некоторые физики считают применение гелия-3 в термоядерных реакторах неграмотным и настаивают на том, что все доводы в пользу этого элемента — обычная глупость. Делается вывод о том, что термоядерные исследования способны выступать и уже выступают мощным драйвером научно-технологического прогресса, механизмом, стимулирующим. Когда говорят о термоядерных исследованиях и пытаются объяснить назначение сложнейших систем того же ИТЭР, приводят для сравнения процессы внутри Солнца и других звезд. Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора.
Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР. Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние. Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике. Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток.
Выбор сделан - токамак плюс
| ядерная физика | Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку. |
| Новый термоядерный рекорд: китайский токамак удерживал плазму 403 секунды | Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. |
| Эра термоядерного синтеза | Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. |
| Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза / / Независимая газета | К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. |
Выбор сделан - токамак плюс
В этой установке, придуманной еще советскими физиками, международная команда ученых рассчитывает запустить управляемую термоядерную реакцию. Запасы которого, в отличие от угля, нефти, газа или урана, неисчерпаемы. Это, наверное, самый амбициозный научно-технологический проект нашего времени. В случае успеха проекта ИТЭР человечество сможет рассчитывать на обладание практически неисчерпаемым источником энергии. Это в корне поменяет всю структуру нашего существования, включая остановку глобального потепления ИТЭР — это экспериментальный реактор, который должен воспроизвести физические реакции, происходящие на Солнце и других звездах, и показать возможность использовать потенциала ядерного синтеза как источника электроэнергии. Несмотря на все ограничения, связанные с коронавирусом, все работы по монтажу начинаются в срок, так что пуск реактора и получение на нем первой плазмы должны состояться уже через пять лет. Бернар Бижо, генеральный директор проекта Международного экспериментального термоядерного реактора: «Мы начинаем работу над этапом сборки, и нам предстоит самая сложная часть работы. Мы должны в жесткие сроки решить сложнейшую головоломку по сбору всех элементов конструкции — этого 3D-пазла , в котором каждый элемент должен работать с точностью швейцарских часов». Подобный проект — это новая веха в международном сотрудничестве.
Дальнейшая экстраполяция этой концепции заключается в полном отказе от стенки, ограждаю-щей плазменный объём. Речь идёт о проработке возможности сооружения магнитного термоядерного реактора в космосе на околоземной орбите.
Такой подход имеет ряд потенциальных преимуществ включая гарантированную реализацию нулевого рециклинга , хотя и представляется труднореализуемым. При этом магнитная конфигурация термоядерного реактора космического базирования может и должна быть предметом оптимизации, в том числе по параметрам таким как вес, присутствие дополнительных систем, простота монтажа и пр. Поэтому реализацию этого направления следовало бы начать с глубокой концептуальной проработки и маломасштабных космических экспериментов. Следует отметить, что идеи космического размещения энергетического реактора обсуждались ещё в 1970-х годах. Целесообразность их рассмотрения в настоящий момент оправдывается качественно иным достигнутым уровнем развития космонавтики, с одной стороны, и прогрессом в термоядерных технологиях и в понимании физики термоядерной плазмы, с другой стороны, что переводит эти идеи из области гипотез в сферу проектов, доступных для воплощения в жизнь за обозримое время, хотя они и не имеют пока достаточно сторонников для серьёзной проработки. Практически с момента начала работ над УТС высказывались идеи об использовании термоядерных нейтронов для производства делящихся изотопов как основы ядерного топлива для АЭС или боеприпасов. В своих воспоминаниях, относящихся к 1951 г. Так как выделение энергии на один акт реакции при процессе деления гораздо больше, чем при процессе синтеза, экономические и технические возможности такого комбинированного двухступенчатого производства энергии оказываются выше, чем при получении энергии непосредственно в термоядерном реакторе. Сегодня при анализе так называемого гибридного подхода, сочетающего термоядерный источник нейтронов ТИН и окружающий его бланкет с сырьевым материалом или отработавшим ядерным топливом ОЯТ , гибридный реактор рассматривают в двух возможных ипостасях: как наработчик топлива для традиционных реакторов деления, используемых на существующих или планируемых АЭС, и как высокоэффективный дожигатель минорных младших актинидов, накапливающихся в результате работы ядерных реакторов. Реакторы деления, составляющие основу существующей атомной энергетики, будут обеспечены делящимися изотопами, произведёнными в гибридных реакторах.
Существенно, что бланкет гибридного реактора работает в подкритическом режиме с внешним источником нейтронов, что исключает последствия запроектных аварий с изменением мощности реактивностные аварии и с захолаживанием теплоносителя без срабатывания систем защиты. Оценки показывают, что наибольший эффект в продвижении интегрированной синтез—деление технологии топливного цикла реализуется при ориентации на уран-ториевый топливный цикл, к числу преимуществ которого принято относить следующие. Уран-233 — делящийся изотоп, получаемый из природного тория, наиболее привлекателен для реакторов на тепловых нейтронах. Запасы тория-232 в природе в 3—4 раза больше в сравнении с природным ураном. При добыче тория радиационные нагрузки на окружающую среду принципиально меньше по сравнению с аналогичными, существующими при добыче природного урана. Облучение урана-233 в реакторе не сопровождается накоплением трансурановых актинидов, и проблема трансмутации минорных актинидов с целью создания условий экологической приемлемости современного уран-плутониевого цикла практически устраняется. Вместе с тем, хотя возможность использования ториевого цикла была известна и обсуждалась ещё на заре становления ядерной энергетики, исторически сделанный выбор в пользу уран-плутониевого цикла нельзя сбрасывать со счетов, равно как и определённые трудности, связанные с реализацией ториевого цикла. В любом случае эту концепцию следует рассматривать в увязке с экономикой и ключевыми проблемами атомной энергетики по обеспечению её устойчивого развития и замыкания топливного цикла. Особенность настоящего момента заключается в том, что современный уровень знаний и имею-щиеся наработки в области УТС достаточны для создания ТИН, требования к параметрам плазмы и конструкционным материалам в котором заметно ниже, чем для энергетического реактора, и возможность удовлетворения которых уже подтверждена экспериментально. В соответствии с заключёнными для реализации проекта ИТЭР международными соглашениями каждый партнёр, в том числе Российская Федерация, имеет право на получение безвозмездных лицензий на использование технологий, созданных в рамках проекта ИТЭР для собственных национальных целей.
Поэтому все участники проекта ИТЭР кроме России имеют собственные национальные программы и проекты, финансируемые на уровне, превышающем вклады этих стран в проект ИТЭР.
При любой катастрофе термоядерная реакция попросту прекратится без каких-либо серьезных последствий для окружающей среды или персонала, так как нечему будет поддерживать реакцию синтеза: уж слишком тепличные условия ей необходимы. Однако есть у термоядерных реакторов и недостатки. Прежде всего это банальная сложность запуска самоподдерживающейся реакции. Ей нужен глубокий вакуум. Сложные системы магнитного удержания требуют огромных сверхпроводящих магнитных катушек. И не стоит забывать о радиации. Несмотря на некоторые стереотипы о безвредности термоядерных реакторов, бомбардировку их окружения нейтронами, образующимися во время синтеза, не отменить.
Эта бомбардировка приводит к радиации. А потому обслуживание реактора необходимо проводить удаленно. Забегая вперед, скажем, что после запуска непосредственным обслуживанием токамака ITER будут заниматься роботы. К тому же радиоактивный тритий может быть опасен при попадании в организм. Правда, достаточно будет позаботиться о его правильном хранении и создать барьеры безопасности на всех возможных путях его распространения в случае аварии. К тому же период полураспада трития — 12 лет. Когда необходимый минимальный фундамент теории заложен, можно перейти и к герою статьи. До этого холодная война достигла своего пика: сверхдержавы бойкотировали Олимпиады, наращивали ядерный потенциал и на какие-либо переговоры идти не собирались.
Этот саммит двух стран на нейтральной территории примечателен и другим важным обстоятельством. Спустя год между американскими, советскими, европейскими и японскими учеными было достигнуто соглашение по проекту, началась проработка концептуального дизайна крупного термоядерного комплекса ITER. Проработка инженерных деталей затянулась, США то выходили, то возвращались в проект, к нему со временем присоединились Китай, Южная Корея и Индия. Участники разделяли обязанности по финансированию и непосредственным работам, а в 2010 году наконец стартовала подготовка котлована под фундамент будущего комплекса. Его решили строить на юге Франции возле города Экс-ан-Прованс. Так что же такое ITER? Это огромный научный эксперимент и амбициозный энергетический проект по строительству самого большого токамака в мире. Сооружение должно доказать возможность коммерческого использования термоядерного реактора, а также решить возникающие физические и технологические проблемы на этом пути.
Из чего состоит реактор ITER? Токамак — это тороидальная вакуумная камера с магнитными катушками и криостатом массой в 23 тыс. Как уже понятно из определения, у нас есть камера. Глубокая вакуумная камера. В случае с ITER это будет 850 кубометров свободного объема камеры, в котором на старте будет всего 0,1 грамма смеси дейтерия и трития. Вакуумная камера, где и обитает плазма. Инжектор нейтрального луча и радиочастотный нагрев плазмы до 150 млн градусов. Сверхпроводящие магниты, которые обуздают плазму.
Бланкеты, защищающие камеру и магниты от бомбардировки нейтронами и нагрева.
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. 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.
Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика
К примеру, 55 миллионов километров - расстояние между Землей и Марсом — он мог бы преодолеть меньше, чем за трое суток. 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.
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.
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.
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.
Одна из особенностей этого материала — тщательно контролируемый химический состав, обеспечивающий нужный уровень примесей и легирующих элементов. Пока сделан полномасштабный опытный образец элемента диагностического защитного модуля, другими словами, верхняя крышка. Работа ведется, можно сказать, по методу последовательного приближения: сначала создается макет, а затем по результатам испытаний происходит корректировка проекта вплоть до стадии прототипирования и постановки на производство.
Такой регламент очень важен, так как любой инженерный просчет ставит под угрозу весь проект» В работе по проекту ИТЭР новые технологии требуются буквально на каждом этапе. Как следствие, в институте появляется комплексное высокотехнологичное оборудование, которое ИЯФ будет использовать и для своих собственных проектов. То же самое относится и к новым материалам. Сейчас мы совместно с Новосибирским электровакуумным заводом начинаем исследовательскую работу по разработке более дешевой технологии производства этого нужного материала. Есть и физические задачи, которые также требуют решения. Когда токамак работает в режиме хорошего удержания, плазма сходит с поверхности «бублика» в специальное устройство дивертор порциями, а не сплошным потоком. 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.