Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. На фото: физик-теоретик, участник Манхэттенского проекта от Великобритании, передавший сведения о ядерном оружии Советскому Союзу, Клаус Фукс.
Искусственное солнце: как первый в мире термоядерный реактор изменит мир
Подобной технологии в ИЯФ не было, поэтому институт купил и модернизировал под свои нужды соответствующее оборудование. Теперь мы можем сверлить на два метра с двух сторон с хорошей точностью. 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.
Что умеют программные роботы В прошлом году Ливерморская национальная лаборатория при Минэнерго США в ходе эксперимента по управляемому термоядерному синтезу облучила капсулу с изотопами водорода, дейтерия и трития, самым большим в мире лазером. Министерство энергетики объявило о «крупном научном прорыве, на достижение которого ушли десятки лет и который откроет путь к прогрессу в национальной безопасности и будущем чистой энергии». Через полгода ученые-ядерщики закрепили свой успех и подтвердили, что вновь достигли положительной по затратам энергии термоядерной реакции синтеза, хотя точных данных пока не огласили. Как сообщает Reuters, результаты будут обнародованы на пресс-конференции и опубликованы в научных журналах. И все же о достижении экономически выгодного управляемого термоядерного синтеза пока говорить рано. Установка Национального комплекса зажигания использует метод инерционного синтеза, который заключается в облучении изотопов водорода лазерным пучком.
Для исправления ситуации требовалось увеличить магнитное поле. В итоге все три «ушли» на модернизацию до 2016—2017 годов. Однако после перерыва, в 2018 году, запустить свой токамак удалось только ученым из Санкт-Петербурга. Их обновленный «Глобус» стал называться «Глобусом-М2». Конечно, это меньше, чем на большом торе у европейцев, но их показатели нельзя сравнивать из-за небольших размеров нашего «Глобуса», который имеет диаметр всего 36 сантиметров диаметр JET — около 3 метров. На «Глобусе-М2» мы пытаемся проверить правильность выбора сферической формы для термоядерного реактора, понять, будет ли у него преимущество по удержанию плазмы, будет ли он превосходить классический тор по энергозатратам. Но у него будет ряд принципиальных отличий. Прежде всего из-за увеличенных размеров качественно изменятся параметры плазмы. Кроме того, будут впервые испытаны в таком масштабе сверхпроводящая магнитная система, новые системы дополнительного нагрева плазмы и многое другое. И есть подозрение, что у них это получится быстрее, чем у международного консорциума. Кто в итоге выживет, это пока вопрос. Скорей всего, термоядерный реактор будет построен на базе классического токамака. Но для сферических токамаков может найтись своя ниша, а их коммерческое применение может начаться гораздо раньше. Гибридные технологии Как выяснилось, мало нашим физикам-ядерщикам сферической модернизации термоядерного реактора. Сейчас, по словам Минаева, в нашей стране параллельно запускается процесс разработки и создания гибридной электростанции, основанной на термоядерной и ядерной технологиях. Это позволит эффективней удерживать плазму? Мы хотим за счет термоядерных технологий решить проблему с «замыканием» ядерного топливного цикла. Представляете, мы сможем нарабатывать искусственное топливо для атомных реакторов, получать в реакторе энергию, а после дожигать отработанное топливо до безопасного состояния, чего раньше никогда не было. До сих пор мы просто захоранивали ядерные отходы, накапливая их. В целом новая гибридная атомная станция будет значительно безопасней и экологичней. Отсутствие большого количества опасных отходов также позволит повысить экспортный потенциал нашей атомной промышленности. Развивая эту технологию, мы оставим своим потомкам более чистую планету, без залежей ядерных отходов. Мы будем использовать термоядерный реактор как мощный источник нейтронов для получения ядерного топлива. При этом параметры плазмы в таком термоядерном источнике нейтронов могут быть существенно ниже, чем в чисто термоядерном энергетическом реакторе, а размеры — существенно меньше, чем у того же ИТЕРа. Следовательно, такой реактор-источник будет значительно дешевле. Но самое главное: реализация гибридной концепции позволит существенно сократить время, требующееся для внедрения уже наработанных термоядерных технологий в коммерческий оборот. Существует еще и открытый тип реактора — зеркальные ловушки, или, образно говоря, «магнитные бутылки», имеющие на концах магнитные «пробки» или магнитные «зеркала».
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. Впрочем, не надо переоценивать его немедленную практическую значимость. От этого результата до электростанций, работающих на реакциях термоядерного синтеза, — дистанция огромного размера». Вот и директор LLNL Ким Будил считает, что еще предстоит преодолеть «значительные препятствия» в отношении технологии термоядерного синтеза, прежде чем ее можно будет использовать в глобальных масштабах — или для начала в любом масштабе, если уж на то пошло. Такой процесс может занять годы или даже еще несколько десятилетий. Прежде всего NIF — это неимоверной сложности установка.
FT: американцы добились прироста чистой энергии в термоядерном синтезе и совершили прорыв
Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. Кажется, физики только что переписали основополагающее правило для термоядерных реакторов, обещающих миру почти бесконечную энергию. Когда говорят о термоядерных исследованиях и пытаются объяснить назначение сложнейших систем того же ИТЭР, приводят для сравнения процессы внутри Солнца и других звезд.
ядерная физика
Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF). Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного. Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция. Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция.
Ракетчики начали строить термоядерный двигатель
В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных. В запущенном в Китае реакторе термоядерного синтеза использовалось достижение российских ученых, создавших устройство, отслеживающее температуру плазмы. Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. С середины прошлого века физики всего мира ищут возможность воспроизвести реакцию термоядерного синтеза, происходящую в центре звезд.
Повторение эксперимента на более крупном реакторе
- Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
- Подписка на дайджест
- Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
- Преимущества и недостатки термоядерных реакторов
Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития. Слишком часто разработчики термоядерных реакторов сталкивались с непредсказуемостью, завышенными оценками, новыми неприятными фактами из области физики плазмы. На термоядерной установке в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, США за несколько месяцев энергопроизводительность выросла в 8 раз.
Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
В этих условиях атомы водорода подверглись слиянию, выделяя 1,3 мегаджоулей энергии за 100 триллионных долей секунды, что составляет 10 квадриллионов ватт мощности. Интенсивная среда, создаваемая направленными внутрь ударными волнами, создала самоподдерживающуюся реакцию ядерного синтеза. Однако за год ученые так и не смогли повторить эксперимент. В четырех аналогичных опытах удалось получить только примерно половину от энергии, полученной в первоначальном успешном эксперименте.
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. За океаном в то же время ходили похожие идеи. Например, американский «отец» водородной бомбы Эдвард Теллер в 1957 году обдумывал вариант взорвать термоядерное устройство в трехсотметровой полости в толще гранита для получения энергии. Это заставило его и его сотрудников искать ответы на два вопроса: каким может быть наименьший энергетический выход термоядерной реакции, который бы имел смысл для коммерческого использования, и какого уровня энерговыделения можно добиться, не используя для запуска реакции «ядерный запал». Эти вопросы через некоторое время привели их к мысли об использовании лазера — как способа концентрации энергии в очень небольшом пространстве, что позволяло бы достичь необходимых давлений и температур в маленьком объеме топлива, горения которого бы не было разрушительным по масштабу.
В 1972 году Джон Накколс из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса вместе с коллегами опубликовал в Nature статью , где описал главные черты установки для лазерного термоядерного синтеза и даже привел вычисления, касающиеся ее коммерческой эффективности. Главное преимущество лазера, писал Накколс и его соавторы, состоит в том, что он позволяет создать сверхвысокую плотность вещества, необходимую для зажигания термоядерной реакции. Механические средства могут создать давление не более 106 атмосфер, этот предел задается прочностью химических связей. Взрыв химической взрывчатки может создать давление от 106 до 107 в центре имплозивного взрывного устройства. Но это еще далеко до нужных для инерциального синтеза параметров.
Лазерное излучение может довести давление до 108 — 1011 атмосфер и даже выше. Работать это все должно было так: лазерные импульсы, несущие огромную энергию сразу со всех сторон, должны был испарять внешние слои сферической мишени размером в миллиметр, что вызывало бы схлопывание оставшейся части к центру. И там, в момент наибольшего сжатия, возникали бы условия для «зажигания» небольшой части смеси дейтерия и трития в центре мишени — от 2 до 5 процентов общей массы, которые разогревали бы оставшееся тело мишени. Но достичь успеха удалось не сразу. 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.
Какие именно технологии и системы для этого нужны? Виктор Ильгисонис: Это инновационные разработки магнитных систем, конструктивных элементов бланкета, дивертора, первой стенки. Это оригинальные системы топливного цикла, нагрева плазмы и отвода энергии и многое другое. Плазма в реакторе ИТЭР должна быть в десять раз горячее солнечного ядра, а температура в его криостате в 30 раз ниже, чем в морозильнике А разве этого нет в проекте ИТЭР? Виктор Ильгисонис: В том-то и дело. Наши решения оригинальны, таких нет ни в проекте ИТЭР, ни в национальных проектах зарубежных коллег. Абсолютно закономерно, что проект ТРТ возник в России - он способен вернуть нашей стране прежнее лидерство, во многом утраченное за постсоветское время. Так что ТРТ - не мутант, а, скорее, естественный продукт эволюции. И его перспективы будут зависеть от той поддержки со стороны правительства в финансировании программы РТТН, о которой мы уже говорили. К концу 2024 года планируем завершить разработку эскизного проекта и отработать ряд ключевых элементов технического проекта. Так что при одобрении "сверху" сооружение ТРТ к 2030 году - вполне реальная задача. У "Росатома" есть действующее соглашение с РАН. Как оцениваете участие академических институтов в совместной реализации федерального проекта "Термоядерные и плазменные технологии"? Виктор Ильгисонис: Как абсолютно необходимое. Дело в том, что все академические институты - участники проекта "Термоядерные и плазменные технологии" - имеют собственные уникальные компетенции, освоение которых в контуре "Росатома" заведомо нецелесообразно, если мы исповедуем государственный подход. О других и не говорим… Виктор Ильгисонис: Так вот: уже упомянутый мною Институт прикладной физики в Нижнем Новгороде разрабатывает и производит лучшие в мире гиротроны - специальные устройства для мощного нагрева электронной компоненты плазмы. Новосибирский ИЯФ создает источники ионов и нейтральных атомов высокой энергии, которые приобретаются всеми ведущими мировыми лабораториями. Санкт-Петербургский физтех - признанный авторитет в методах высокочастотного нагрева плазмы… Список можно продолжать. И сказанное в полной мере относится не только к институтам РАН, но и к организациям НИЦ "Курчатовский институт", к вовлеченным в проект университетам. Какие риски здесь можно и должно прогнозировать с учетом нарастающих антироссийских санкций? Виктор Ильгисонис: Вопрос о пользе нашего участия задают уже лет пятнадцать - с того момента, как проект стартовал. Очевидная и главная польза - это ожидаемое появление в мире уникального экспериментального устройства, создание которого оказалось непосильным ни для одной страны.
А практическая польза - это освоение здесь, на родине, новых технологий и производства высочайшего качества. ИТЭР - это легитимная возможность "приземлить" у себя дома современные, в том числе уникальные зарубежные технологии, в создание которых вложились ведущие мировые разработчики. Мы получаем законное право использовать их в национальных целях. Сегодня ИТЭР - реальный драйвер технологического развития. И я искренне рад, что мировое термоядерное сообщество оказалось способным отделить решение глобальной задачи человечества от сиюминутной политической риторики. Когда говорят о термоядерных исследованиях и пытаются объяснить назначение сложнейших систем того же ИТЭР, приводят для сравнения процессы внутри Солнца и других звезд. Заголовок в газете "Солнце в морозильнике" - это не сильное преувеличение к тому, что всем миром строят и обещают показать во французском Кадараше? Виктор Ильгисонис: Имеется в виду, полагаю, сравнение температур горячей плазмы внутри токамака и сверхпроводника в его магнитной системе? Если так, то это образное сравнение серьезно не дотягивает до итэровских реалий: плазма ИТЭРа должна быть в десять раз горячее солнечного ядра, а температура в его криостате - в тридцать раз ниже, чем в морозильнике! А в космосе, если сумеем "приручить" термояд, он какие открывает для человека возможности? Виктор Ильгисонис: Здесь вы, что называется, бьете в самую точку. Я уверен, что истинное место термояда - как раз в космосе. Просто его там будет легче осуществить! Нам не понадобятся ни громоздкие вакуумные камеры со сложной системой откачки, ни дорогостоящий криостат со всеми сопутствующими системами. Да, придется несколько отойти от привычных для Земли схем, понадобятся идеи и эксперименты, но это будет совершенно новый уровень энергооснащения наших космических аппаратов. Судите сами, сегодня на МКС потребителям доступны лишь несколько десятков киловатт мощности, которых, конечно же, недостаточно для серьезной работы на орбите и тем более для межпланетных полетов. Эту тему надо начинать разрабатывать как можно скорее, не дожидаясь осуществления "земного" термояда. В одном из наших первых интервью вы сказали, что термоядерный синтез - вопрос самолюбия для человечества. А сегодня к этому что могли бы добавить? Виктор Ильгисонис: Самолюбие пока не удовлетворено. А задора по мере преодоления трудностей с каждым годом прибавляется. Причем не только у ученых, посвятивших себя плазменной науке.
Ученые в США провели третий успешный эксперимент с ядерным синтезом
| Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478 | Реакторы термоядерного синтеза имитируют ядерный процесс внутри Солнца, сталкивая более легкие атомы вместе и превращая их в более тяжелые. |
| Ракетчики начали строить термоядерный двигатель | Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times. |
| Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы | Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. |
| Физики США вторично добились положительного термоядерного синтеза | К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. |
| и | Некоторые физики считают применение гелия-3 в термоядерных реакторах неграмотным и настаивают на том, что все доводы в пользу этого элемента — обычная глупость. |