Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР.
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
На Солнце этот процесс приводится в действие силой гравитации. Одно из построенных решений представлено ИТЭР, ранее известным как Международный термоядерный экспериментальный реактор, который строится с 2010 года в Карадаше, Франция. Первые эксперименты, первоначально запланированные на 2018 год, были перенесены на 2025 год.
Плазма просто так долго держаться не может, ее различными методами дополнительно нагревают», - пояснил суть работы устройства ученый. Установка EAST - это полноценный сверхпроводящий экспериментальный термоядерный токамак, который, по словам Артемьева, как и строящийся во Франции токамак Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР являются важными шагами к построению установки DEMO.
По проекту, электростанция будет запущена в конце 2040-х годов и станет переходным звеном между ITER и первыми коммерческими термоядерными реакторами. Конечной целью проекта является создание почти безгранично чистой энергии, имитирующей естественные реакции, происходящие внутри звезд.
Львиная доля вложений приходит не в денежном выражении, а в виде компонентов и оборудования для реактора. А поскольку центральная организация ИТЭР не контролирует расходы семи партнеров, определить фактическую стоимость проекта крайне сложно. Изготовление компонентов, производство оборудования и разработка диагностик для ИТЭР распределены между всеми участниками консорциума. Над дизайном основного элемента реактора, криостата, работала Индия, присоединившаяся к консорциуму в 2005 году. Основа криостата, весом 1250 тонн, будет одной из самых тяжелых одиночных нагрузок при сборке машины весом 23 тыс.
Европейский союз ответственен за вакуумную камеру, однако для оптимизации проекта и минимизации задержек часть работ была поручена Корее, которая продемонстрировала высочайший уровень собственных технологий, запустив токамак со сверхпроводящей магнитной системой KSTAR Korean Superconducting Tokamak Advanced Research , получивший первую плазму в 2008 году, и продемонстрировав рекордную 70-секундную высокопроизводительную плазму в 2016 году. Китай вместе с Россией работают над созданием сверхпроводников, первая поставка которых была осуществлена в июне 2014 года. Шесть кольцеобразных полоидальных магнитов с полевой катушкой будут окружать машину ИТЭР для формирования плазмы и обеспечения ее стабильности путем отстранения от стенок вакуумного реактора. Россия отвечает за широкий спектр электротехнических компонентов, из которых состоят коммутационные сети, блоки быстрого разряда, комплекты поставки измерительной аппаратуры. Налажено производство сборных шин и переключающих сетевых резисторов, завершается программа НИОКР для компонентов блока быстрой разгрузки. 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»!
Это позволит проводить первые операции по разогреву плазмы. В 2035 году реактор должен выйти на полную мощность и будет производить больше энергии, чем потребляет. Но это еще не скоро. Например, лазерным излучением.
Такая установка разрабатывается в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, США. Научный комплекс National Ignition Facility NIF за несколько миллиардных долей секунды усиливает и фокусирует 192 мощных лазера на мишени размером несколько квадратных сантиметров. Температура мишени превышает 100 миллионов градусов, давление — 100 миллиардов атмосфер. Этого достаточно, чтобы началась термоядерная реакция. Главная проблема — затраты энергии на разогрев мишени должны быть меньше желательно, гораздо меньше , чем энергия выделяемая при термоядерном синтезе.
Иначе процесс не производит энергию, а тратит.
Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
Однако чтобы доказать, что тип синтеза, проводимый в NIF, может быть жизнеспособным методом производства энергии, эффективность выхода — высвобождаемая энергия по сравнению с энергией, которая идет на создание лазерных импульсов — должна вырасти в 100 и более раз. Этот результат все еще далек от фактического прироста энергии, необходимого для производства электроэнергии Тони Роулстоун, эксперт в области термоядерного синтеза из Кембриджского университета Теоретически проблемы, связанные с низкой эффективностью лазерного нагрева, могут быть решены путем повышения скорости испускания импульсов и быстрого отвода тепла и мусора из камеры для запуска следующей мишени. Также могут быть использованы новые конструкции, где подачу энергию осуществляют лазерные диоды, производящие энергию в диапазоне частот, которые сильно поглощаются стенками хольраумов. Однако при этом остаются такие факторы, влияющие на экономическую целесообразность, как стоимость топлива и мишеней. Ливерморская национальная лаборатория обошла ITER Наряду c ICF существует еще один способ проведения термоядерного синтеза, называемый магнитным удержанием плазмы. Он проводится в токамаках — тороидальных установках, где нагретая до экстремальных температур плазма удерживается с помощью мощных магнитных полей. Масштабный проект начал разрабатываться с середины 1980-х годов, а завершить грандиозную стройку планируется в 2025 году. Также как и в инерциальном термоядерном синтезе, в основе работы реактора ITER будет лежать термоядерная реакция слияния изотопов водорода, дейтерия и трития с образованием гелия и высокоэнергетического нейтрона. Для этого дейтерий-тритиевая смесь должна быть нагрета до температуры более 100 миллионов градусов, что в пять раз превышает температуру Солнца.
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.
Если вы снизите требования к интенсивности реакции, то эти потоки уменьшаются и проблема защиты стенки перестает быть такой острой. Но возникает вопрос: а где мы можем применять эти нейтроны? Оказывается, мы можем их использовать в целях создания топлива для обычных атомных реакторов.
Это так называемые гибридные системы «синтез — деление», и они сейчас здесь очень активно обсуждаются и развиваются. Практическая реализация таких систем важна. Но чего сейчас здесь удалось достичь? Каков сегодня мировой рекорд ее удержания, где он достигнут? Первый токамак со сверхпроводящими магнитными системами был построен в Курчатовском институте. Потом, в силу ряда обстоятельств, эта система не получила развития.
Точнее, она получала развитие в токамаке Т-15, который создавался в Курчатовском институте, но из-за слома Советского Союза дело не было доведено до конца. На Западе и Востоке довели. Надо понимать, что, помимо времени удержания, еще есть требования на плотность, температуру, и вообще для того, чтобы термоядерный реактор работал, необходимо, чтобы тройное произведение — время удержания, плотность и температура — было выше некоторой величины. Длительность удержания разряда в высокотемпературной плазме на китайском токамаке — более 100 с. Требуемые температуры также достигнуты. Реализовать их одновременно в одной установке предполагается в ITER.
Сегодня здесь лидеры китайцы. У них разряд в высокотемпературной плазме держится больше сотни секунд. В ITER будет два режима. Один — режим удержания в течение пяти часов, другой, более короткий — в течение нескольких десятков секунд. Если мы говорим о системах с магнитным удержанием, а только о них мы и должны говорить, все-таки их придется периодически перезаряжать. То есть система работает несколько часов, потом она останавливается, прочищается за час и потом опять работает.
В этом смысле коэффициент использования мощности будет высоким. Мы все живем благодаря термоядерной энергетике — не только в смысле зарплаты, а в смысле создания практически не ограниченного топливными ресурсами энергетического источника. Термоядерная реакция — такой источник энергии. Человечество жаждет овладеть такой энергией. В конечном счете человечеству нужно практическое применение. И первое такое применение будет на гибридных системах.
Можно получать топливо, облучая уран и превращая его в изотоп, используемый в атомных реакторах. Можно также облучать торий, которого больше на Земле, чем урана, и из него тоже нарабатывать топливо. Это одно направление. А второе направление, может быть, не менее важное, связано вот с чем. Радиоактивные отходы получаются даже при энергетике, основанной на быстрых реакторах. Их нужно убирать, организуя так называемую трансмутацию — перевод радиоактивного ядра в спокойное при нейтронном облучении в гибридном реакторе.
И термоядерные установки тоже могут использоваться для выжигания радиоактивных отходов. Например, эти отходы сегодня могут быть активно использованы для продуктовой промышленности. Сейчас наш институт НИИТФА поставляет такие установки на внутренний и зарубежный рынки для стерилизации пищевых продуктов. В этих установках пищевые или медицинские продукты, например шприцы, проходят через поле излучения радиоактивных изотопов и в результате оказываются стерилизованными. Действительно, а можно ли облучать пищевые продукты? Так вот, в соответствии с американскими исследованиями этой идеи — да, можно, если брать определенные дозы.
Насколько я понимаю, в космос берут пищу, которая стерилизована именно таким образом. Другое дело, что здесь играет роль еще и экономика. Что дешевле? Поэтому в ряде случаев используют стерилизацию соответствующими газами. Другое направление использования радиоактивных отходов и нарабатываемых изотопов — электрические генераторы РИТЭГ.
По проекту, электростанция будет запущена в конце 2040-х годов и станет переходным звеном между ITER и первыми коммерческими термоядерными реакторами. Конечной целью проекта является создание почти безгранично чистой энергии, имитирующей естественные реакции, происходящие внутри звезд. Такой реактор не потребует ископаемое топливо и не оставляет опасных отходов.
Ученые в США провели третий успешный эксперимент с ядерным синтезом
Европейский токамак обновил рекорд по количеству полученной в ходе термоядерной реакции энергии. Американцы совершили прорыв в изучении термоядерной энергии. Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку. Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора.
FT: американцы добились прироста чистой энергии в термоядерном синтезе и совершили прорыв
Ученые развивали идею термоядерного синтеза с инерционным удержанием в лаборатории в течение почти 60 лет, пока впервые достигли успеха. Американцы совершили прорыв в изучении термоядерной энергии. Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез.
Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. Волна термоядерных реакций превращает дейтериево-тритиевое топливо в высокоэнергетический гелий и нейтроны, которые можно улавливать для выработки тепла и электричества. Хотя подход Z-пинч тестировался еще в 1950-х, исследователи столкнулись с проблемой быстрого угасания плазмы. Zap заявляет, что решила ее с помощью стабилизации сдвигового потока — инновации, которая теоретически может продлить срок жизни Z-пинч плазмы почти до бесконечности.
Физики будут продолжать свои эксперименты, чтобы снова воссоздать самоподдерживающийся термоядерный синтез. Поделиться: Подписывайтесь на «Газету. Ru» в Дзен и Telegram.
Эксперимент китайских ученых продлится до июня. По словам инженера-физика, если речь идет о единичном научном приборе, то его сооружение, эксплуатация и обращение с радиоактивными отходами может осуществляться контролируемо. Здесь катастрофы, сравнимые с Чернобылем, невозможны, но в результате работы таких устройств происходит активация, то есть становятся радиоактивными элементы конструкции», — подчеркнул Ожаровский. Он пояснил, что при активации то, что было нерадиоактивным, становится радиоактивным из-за нейтронного облучения. Этот процесс уже изучен по предшественникам современных токамаков. Даже если китайцы добьются успеха, то у них не получится получить чистую и дешевую энергию. Инженер-физик добавил, что токамаками занимается уже не первый год целая отрасль ученых. Они зарабатывают на этом проекте, поэтому только выигрывают от экспериментов. Ученые могут преуспеть, но от экспериментальной установки до промышленной еще очень далеко. Плюс нужно будет придумать, как превратить термоядерную энергию, например, в электричество.
С историей Атомного проекта понятно. А что сегодня определяет передний край науки в отрасли? Виктор Ильгисонис: Если кратко - то значение для страны и экономическая эффективность. Критерием служит потребность страны в решении конкретной проблемы, чтобы сосредоточить на ней мощь "Росатома" - техническую и интеллектуальную. Но браться стоит только за высокотехнологичные и наукоемкие направления. Наши профессиональные компетенции слишком дороги, чтобы расходовать их на обычные бизнесы, как бы прибыльны они ни были. Одно из таких направлений - термоядерные исследования и плазменные технологии. Это третий федеральный проект внутри РТТН - комплексной программы развития техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии. Он третий по важности, срочности, ожиданиям? Виктор Ильгисонис: Он просто один из пяти, по порядку. Не следует придавать нумерации какое-либо значение. Но если говорить о числе вовлеченных в проект организаций вне контура "Росатома", то термоядерный проект - однозначно первый. Его масштабность, широта охвата, многообразие ожидаемых результатов и их применений в значительной степени обусловили причисление всей программы РТТН к числу национальных проектов. Самой дорогостоящей частью "термоядерного" федерального проекта, как и всей программы РТТН, принято считать модернизацию существующей инфраструктуры и создание новых экспериментальных установок. Что тут в приоритетах? Где и на каких площадках уже ведутся такие работы? Виктор Ильгисонис: В действующей версии программы главный приоритет - это вывод на рабочие режимы токамака Т-15МД в Национальном исследовательском центре "Курчатовский институт", который должен быть оснащен различными системами дополнительного нагрева плазмы, диагностики, сбора и обработки данных, генерации тока и другими современными элементами. Осуществляются поддержка и развитие экспериментальной базы термоядерных исследований на площадках Физико-технического института имени Иоффе в Санкт-Петербурге, Института ядерной физики имени Будкера в Новосибирске, Национального исследовательского ядерного университета МИФИ в Москве. Серьезные "задельные" работы по развитию инфраструктуры, ориентированные на следующий до 2030 года этап реализации федерального проекта, ведутся в научном центре ТРИНИТИ в Троицке. Год назад вы говорили о 110 контрольных точках по этому проекту, на 2023-й их в полтора раза больше. Как продвигаетесь по маршруту и что требует особого внимания? Виктор Ильгисонис: Движемся по плану, скрупулезно выполняя намеченное.
Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова
В ТГУ сделали шаг к поиску способов повышения энергоэффективности термоядерного синтеза 4. Ученый физического факультета Томского госуниверситета Михаил Егоров выясняет, для каких реакций и при каких энергиях и температурах выделяющаяся полезная энергия может превышать энергетические потери, связанные с движением заряженных частиц.
Сливаясь, атомы теряют часть своей массы, которая высвобождается в виде энергии. В результате столкновения ядер водорода возникает ядро более массивного химического элемента — гелия. Выделившаяся при этом энергия в шесть раз выше, чем в ходе реакции деления ядра урана, самого тяжелого долгоживущего элемента в природе время, за которое половина ядер урана распадется на другие элементы, исчисляется миллиардами лет. Именно реакция деления урана — источник энергии в реакторах современных атомных электростанций.
Осуществить управляемую реакцию деления в первом промышленном реакторе удалось в середине XX века. С тех пор силы физиков-ядерщиков направлены на создание устройства, которое позволило бы управлять и термоядерным синтезом. Для реакции управляемого синтеза нужны особые ядра водорода с дополнительными нейтронами, которые называются изотопами, — это дейтерий и тритий. Дейтерий стабилен, и его можно найти в морской воде. Тритий же — более редкий и радиоактивный изотоп, который выделяют на атомных реакторах при получении лития.
Заменить тритий может стабильный изотоп гелий-3. Добывать его так же трудно, но огромные залежи можно найти в грунте на поверхности Луны. 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 ходе эксперимента, проведенного 5 декабря 2022 года, была впервые запущена управляемая реакция синтеза, которая генерировала в полтора раза больше энергии, чем было на нее потрачено. Об этом сообщается в пресс-релизе, опубликованном на сайте научной организации; подробно о научном прорыве рассказывает издание Nature. Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility NIF. Реакцию запускали с помощью 192 лазеров, которые нагревали хольраумы — небольшие золотые цилиндры, внутри которых находится капсула со смесью изотопов водорода, трития и дейтерия. Лазеры подали 2,05 мегаджоуля энергии на внутреннюю стенку цилиндра, которая переизлучала ее в виде теплового рентгеновского излучения, вызвавшего взрыв внешней оболочки капсулы, направленный внутрь. Как зародился комплекс National Ignition Facility В 1960-х годах группа ученых из LLNL выдвинула гипотезу о том, что лазеры можно использовать для индукции термоядерного синтеза в лабораторных условиях. Эта революционная идея привела к появлению термоядерного синтеза с инерционным удержанием топлива, положив начало более чем 60-летним исследованиям и разработкам. В конце концов был создан комплекс NIF размером со спортивный стадион, где лазеры используются для создания температур и давлений, подобных тем, что возникают в ядрах звезд и планет-гигантов, а также внутри ядерных взрывов Ударные волны от взрыва заставляют дейтериево-тритиевое топливо сжиматься до давления в сотни гигабар, что создает в его центре горячую точку с температурой около 10 миллионов кельвинов. 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.
Ученый физического факультета Томского госуниверситета Михаил Егоров выясняет, для каких реакций и при каких энергиях и температурах выделяющаяся полезная энергия может превышать энергетические потери, связанные с движением заряженных частиц. С использованием точных методов квантовой механики он вычислит сечения наиболее интересных с прикладной точки зрения термоядерных реакций синтеза.
Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние. Некоторые физики считают применение гелия-3 в термоядерных реакторах неграмотным и настаивают на том, что все доводы в пользу этого элемента — обычная глупость. Институт Ядерной Физики (ИЯФ).
Американские физики повторно добились термоядерного зажигания
| Искусственное солнце: как первый в мире термоядерный реактор изменит мир // Новости НТВ | Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. |
| Термоядерный синтез - что это такое, токамак, синтез, изучение, проблемы, трудности, эксперименты | Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. |