Ученые Института ядерной физики а СО РАН (ИЯФ, Новосибирск) добились ускорения плазмы в термоядерной установке "СМОЛА", где вещество удерживается.
Искусственное солнце: как первый в мире термоядерный реактор изменит мир
Нынешний рекорд составил 403 секунды чуть менее 7 минут. Предыдущий рекорд был установлен на том же EAST в 2017 году и составлял 101 секунду. С момента начала работы в 2006 году EAST является открытой испытательной платформой для китайских и международных ученых для проведения экспериментов и исследований, связанных с термоядерным синтезом.
В природе термоядерные реакции постоянно происходят на Солнце, но там плазму удерживает огромная гравитация звезды. Экспериментальная установка для термоядерных реакций в городе Хэфэй работала на протяжении 17 минут. Ученым удалось разогреть плазму до 70 миллионов градусов по Цельсию, что выше температуры Солнце примерно в пять раз. Токамак представляет собой устройство, которое может генерировать сильное магнитное поле.
Физики потратили более десяти лет на создание технологии воспламенения термоядерной реакции, и в августе 2021 года они смогли успешно провести эксперимент. Чтобы добиться эффекта «зажигания», команда поместила капсулу с тритиевым и дейтериевым топливом в центр облицованной золотом камеры с обедненным ураном и направила на нее 192 высокоэнергетических рентгеновских луча.
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.
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. Термоядерные реакции синтеза производят альфа-частицы, энергия которых нагревает все остальное топливо. Исследователи классифицирует ее как воспламенение англ.
Прорыв в термоядерном синтезе
И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире. И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире. Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. 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. Реакторы термоядерного синтеза имитируют ядерный процесс внутри Солнца, сталкивая более легкие атомы вместе и превращая их в более тяжелые.
#термоядерный синтез
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. Планируется, что эксперименты по нагреву плазмы для запуска энергоэффективных термоядерных реакций начнутся только в 2035 году. В то же время инженерные задачи и проблемы, с которыми специалисты сталкиваются при строительстве ITER, отличаются от тех, что возникают в ICF. Одной из них является, например, предотвращение контакта высокотемпературной плазмы со стенками установки.
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. Такой реактор не потребует ископаемое топливо и не оставляет опасных отходов.
Духова «Событие, важное не только для мировой науки, для человечества — это термоядерный синтез с положительным выходом энергии. Американский "Национальный комплекс зажигания" National Ignition Facility, NIF в Ливерморской национальной лаборатории воспроизвел так называемый инерционный управляемый термоядерный синтез, предусматривающий облучение крошечной порции водородной плазмы самым большим в мире лазером». Вот когда появится первая ТЯ электростанция на 100 гвт, тогда и будет порыв. А так, просто болтовня!
Гоблин даже про него говорил. Ну как английские ученые прямо...
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. Впрочем, на практике путь к этому оказался долгим. Рождения героя После нескольких промежуточных установок поменьше, в 1997 году США запустили строительство гигантской лазерной установки NIF стоимостью около 2 миллиардов долларов, которая должна была продемонстрировать работоспособность концепции и так называемый breakeven — равенство или превышение выхода термоядерной энергии над энергией лазеров, которая по проекту должна была составить 1,8 мегаджоуля.
Проблемы NIF, как прототипа термоядерной электростанции, были видны еще до начала строительства — даже если бы 1,8 мегаджоуля термоядерной энергии получалось бы в каждом выстреле, затраты энергии «из розетки» все равно составляли бы скорее 500 мегаджоулей, а количество выстрелов не превышало бы 2-3 в сутки. Кроме того, мишени для NIF представляли собой произведение криогенного ювелирного искусства: капсула миллиметрового размера и сверхточной формы наполняется топливом при температуре 15 кельвин и поддерживается при этой температуре в процессе помещения в установку и до момента эксперимента. Ну и разумеется, никакой энергоустановки в проекте предусмотрено не было, термоядерное тепло просто рассеивалось через градирни. В реальности все оказалось еще скромнее. Установка произвела первые полноценные выстрелы в 2010 году и вместо мегаджоулей термоядерной энергии ученые увидели сотни джоулей. Три года непрерывных усилий по совершенствованию установки привели к первому breakeven — выходу около 15 килоджоулей термоядерной энергии, что было больше, чем сообщали рентгеновского тепла стенки сосуда с капсулой. Однако это было далеко от того, что обещали до начала строительства NIF. Впрочем, основного заказчика этой установки все устраивало.
Дело в том, что условия, создающиеся в топливной капсуле и хольрауме очень похожи на то, что происходит в термоядерном боеприпасе в момент срабатывания. И изначально NIF создавался как большой стенд для верификации нового поколения программ, симулирующих поведение ядерного оружия, а энергетическое направление было приятным бонусом, на который выделялось меньше трети фондирования. Но команда термоядерщиков LLNL продолжала совершенствовать режимы работы лазеров, конструкцию хольраума и капсулы. Вместе это позволило поднять симметричность и стабильность сжатия капсулы, побороть лазерно-плазменные неустойчивости на хольрауме, увеличить эффективность передачи энергии от лазеров на хольраум и от хольраума на сжатие капсулы.
Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза
Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский. В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии. Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке». Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза.
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
| «Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза | Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. |
| Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых | В Саровском ядерном центре создается аналогичная установка для экспериментов, позволяющих работать с управляемым термоядерным синтезом с инерциальным удержанием. |
Другие новости
- FT: американцы добились прироста чистой энергии в термоядерном синтезе и совершили прорыв
- Что еще почитать
- Что еще почитать
- Как работает изобретенный китайцами токамак и зачем он нужен | 360°
- Инновации и наука
- Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
Российский ученый раскрыл секреты искусственного солнца, которое зажгли в Китае
- Термоядерную установку, у которой нет аналогов в мире, запустили в Курчатовском институте
- Что еще почитать
- О настоящем и будущем термоядерной энергетики
- Последние комментарии
- Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
Гаспарян уточнил, что термоядерный реактор безопаснее, потому что в обычном происходит самоподдерживающаяся реакция деления, которая в случае аварии, как на «Фукусиме», может приводить к нежелательным последствиям. В термоядерном реакторе такого сценария быть не может. А реакция синтеза быстро останавливается при выключении питания. Фактически в качестве топлива используется вода, в которой содержится дейтерий. А тритий можно получить из лития непосредственно в процессе работы термоядерного реактора или как побочный продукт работы ядерных реакторов», — добавил эксперт.
Его производство поручено Индии. Внутри «термоса» соберут реактор Криостат уже собирают. Тут, например, вы можете видеть окошко, через которое в реактор будут забрасывать частицы для нагрева плазмы Производство всего этого оборудования разделено между странами-участницами. Например, над частью бланкетов работают в России, над корпусом криостата — в Индии, над сегментами вакуумной камеры — в Европе и Корее. Но это отнюдь не быстрый процесс.
К тому же права на ошибку у конструкторов нет. Команда ITER сперва моделирует нагрузки и требования к элементам конструкции, их испытывают на стендах например, под воздействием плазменных пушек, как дивертор , улучшают и дорабатывают, собирают прототипы и опять тестируют перед тем, как выдать финальный элемент. Первый корпус тороидальной катушки. Первый из 18 гигантских магнитов. Одну половину сделали в Японии, другую — в Корее 18 гигантских магнитов D-образной формы, расставленные по кругу так, чтобы образовать непроницаемую магнитную стену. Внутри каждого из них заключены 134 витка сверхпроводящего кабеля Каждая такая катушка весит примерно 310 тонн Но одно дело собрать. И совсем другое — все это обслуживать. Из-за высокого уровня радиации доступ к реактору заказан. Для его обслуживания разработано целое семейство роботизированных систем.
Часть будет менять бланкеты и кассеты дивертора весом под 10 тонн , часть — управляться удаленно для устранения аварий, часть — базироваться в карманах вакуумной камеры с HD-камерами и лазерными сканерами для быстрой инспекции. И все это необходимо делать в вакууме, в узком пространстве, с высокой точностью и в четком взаимодействии со всеми системами. Задачка посложнее ремонта МКС. Причем это только часть оборудования самого реактора. Добавьте сюда здание криокомбината, где будут вырабатывать жидкий азот и гелий, здание выпрямителей магнитной системы с трансформаторами, трубопроводы системы охлаждения диаметром по 2 метра , систему сброса тепла с 10 вентиляторными градирнями и многое-многое другое. На все это и идут миллиарды. Токамак ITER станет первым термоядерным реактором, который будет вырабатывать больше энергии, чем необходимо для нагрева самой плазмы. К тому же он сможет поддерживать ее в стабильном состоянии намного дольше ныне существующих установок. Ученые утверждают, что именно для этого и нужен столь масштабный проект.
С помощью такого реактора специалисты собираются преодолеть разрыв между нынешними небольшими экспериментальными установками и термоядерными электростанциями будущего. Например, рекорд по термоядерной мощности был установлен в 1997 году на токамаке в Британии — 16 МВт при затраченных 24 МВт, тогда как ITER конструировали с прицелом на 500 МВт термоядерной мощности от 50 МВт вводимой тепловой энергии. На токамаке будут испытаны технологии нагрева, контроля, диагностики, криогеники и дистанционного обслуживания, то есть все методики, необходимые для промышленного образца термоядерного реактора. Объемов мирового производства трития будет недостаточно для электростанций будущего. А потому на ITER отработают также технологию размножающегося бланкета, содержащего литий. Из него под действием термоядерных нейтронов и будут синтезировать тритий. Однако не стоит забывать, что это пускай и дорогой, но эксперимент. Токамак не будет оборудован турбинами или другими системами конвертации тепла в электричество. То есть коммерческого выхлопа в виде непосредственной генерации энергии не будет.
И мы тогда можем идти по намеченному пути. В заключение можно отметить тот факт, что первая атомная электростанция была введена в эксплуатацию в городе Обнинск в 1954 году, а пуск первого токамака произведен также в 1954 году в ИАЭ им. Но это была экспериментальная установка и все последующие, включая ITER, — также экспериментальные установки типа токамак. Беседу вела Ирина Татевосян 2018 год Тем временем в Китае 30. Он может стать первым реактором ядерного синтеза, генерирующим достаточно энергии для производства электричества. По словам одного из ведущих ученых, Китай сможет производить электроэнергию с помощью предлагаемого "искусственного солнца" уже через десять лет, если проект получит окончательное одобрение правительства. Строительство реактора ядерного синтеза может быть завершено к началу 2030х годов, если официальный Пекин даст добро, сказал профессор Сонг Юнтао сотрудникам средств массовой информации на конференции по контролю за выбросами углерода в Пекине в воскресенье. Китайский испытательный реактор Fusion Engineering Технология термоядерного синтеза, также известная как искусственное солнце, может обеспечить бесконечный запас чистой энергии, имитируя процесс ядерного синтеза на солнце, хотя технические сложности значительны, и попытки международного сообщества разработать данную технологию столкнулись с трудностями и растущими затратами.
Руководство страны попросило ученых провести подготовительные работы по созданию Китайского испытательного реактора термоядерного синтеза CFETR , включая проектирование и строительство крупного испытательного центра в городе Хэфэй. Но Сонг, директор Института физики плазмы в Хэфэе, сообщил Beijing News, что окончательное разрешение еще не получено. Цель этого проекта заключается в том, чтобы CFETR стал первой установкой, вырабатывающей электроэнергию за счет тепла термоядерного синтеза. Для этого необходимо контролировать работу экстремально горячего газа - водорода, температура которого в реакторе должна достигать 100 миллионов градусов Цельсия 180 миллионов по Фаренгейту или даже превышать их. Фото: Синьхуа На первом этапе работы реактор рассчитан на получение стабилизированного выхода мощности - необходимой для выработки электроэнергии - в 200 мегаватт, что примерно соответствует мощности небольшой угольной электростанции. Китайский термоядерный реактор, вероятно, не будет первым в мире: строительство Международного термоядерного экспериментального реактора ITER на юге Франции почти завершено, и он может быть запущен к 2025 году. Но после многочисленных задержек с момента начала строительства в 2007 году ИТЭР стал самым дорогим международным научным проектом в истории, который обойдется странам-участницам, включая Китай, в сумму от 45 до 65 миллиардов долларов США. И хотя он впервые воплотит в жизнь идею искусственного солнца, вырабатываемое им количество тепла не может быть устойчивым, чтобы генерировать достаточно энергии для производства электричества, как это делает китайский реактор.
Сонг сказал, что Китай и другие страны оказывают содействие и следят за прогрессом во Франции, используя знания и технологии, разработанные для ITER, для совершенствования своих собственных проектов термоядерных реакторов - гонка за их разработку разгорается. Китайские исследования в области термоядерного синтеза изначально проводились с использованием российского оборудования и технологий, но в последние годы, по словам Сонга, Китай занял лидирующие позиции в этой области. В мае на моделирующем устройстве в Хэфэе была создана горящая плазма с температурой 150 миллионов градусов Цельсия, которая поддерживалась на стабильном уровне более 100 секунд, что является мировым рекордом. Ученые удерживали горячий газ, который был чрезвычайно непредсказуем и мог разрушить все, чего бы он ни коснулся, с помощью сверхсильного магнитного поля, созданного на основе сверхпроводников. Сонг сказал, что следующей целью китайского проекта будет увеличение продолжительности горения до 400, а затем до 1 000 секунд. По словам Сонга, эта разработка принесла положительные результаты и в других отраслях. Благодаря достижениям в исследованиях термоядерного синтеза, китайские производственные мощности по выпуску сверхпроводящих материалов увеличились в 10 000 раз, отметил он. Сверхпроводниковая продукция необходима в самых разных отраслях, от транспорта до медицинского оборудования, и рост производства позволяет значительно снизить ее цену.
Китайское правительство планирует начать массовое строительство термоядерных электростанций до 2060 года - крайнего срока для достижения поставленной страной цели по обеспечению углеродной нейтральности окружающей среды. В Британии 24. Утверждается, что технология приведёт к коммерчески выгодным компактным термоядерным реакторам и намного эффективнее альтернативных систем. Демонстрация установки состоится в 2022 году, а коммерческое распространение ожидается к 2030 году. Компания Tokamak Energy на государственные субсидии и частные инвестиции планомерно совершенствует сферические токамаки. Проведённые с тех пор модернизации позволяют поднять температуру плазмы до рекордных для такого малыша значений. Внутри токамака разогретая плазма удерживается сильнейшим магнитным полем, поэтому роль магнитов сложно переоценить. Особенно важны параметры магнитов для сферических токамаков с небольшим по объёму соленоидом по центру.
Компания Tokamak Energy делает ставку на высокотемпературные сверхпроводящие магниты и технологии масштабирования магнитов. Чем сильнее магнит в меньшем исполнении, тем меньше размеры рабочей камеры реактора, и здесь на передний план выходит защита сверхпроводящих магнитов от повреждений плазмой. По словам Tokamak Energy, они разработали не имеющую аналогов технологию защиты сверхпроводящих магнитов и готовятся создать установку с её использованием. Запуск установки с новой обвязкой сверхпроводящими магнитами запланирован на следующий год. Это не приведёт к мгновенному решению вопроса, но мало-помалу продвинет разработчиков к желанной цели — к созданию компактных термоядерных реакторов.
Дело в том, что воспламенение не компенсирует всю энергию, потраченную на работу лазеров — около 322 мегаджоулей, — а только ту, что была потрачена непосредственно на нагрев мишени. Таким образом, NIF не является установкой для эффективного производства энергии, а служит лишь для экспериментального доказательства самой возможности воспламенения. Многие специалисты сомневаются, что сам подход с использованием лазеров может стать основой для получения термоядерной энергии из-за множества сложных технических проблем. В NIF используется инерциальный управляемый термоядерный синтез ICF , когда реакция инициируется путем теплового сжатия мишеней размером с булавочную головку с помощью лазеров.
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.
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
Американцы совершили прорыв в изучении термоядерной энергии. Реакторы термоядерного синтеза имитируют ядерный процесс внутри Солнца, сталкивая более легкие атомы вместе и превращая их в более тяжелые. Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного.
Повторение эксперимента на более крупном реакторе
- О настоящем и будущем термоядерной энергетики
- Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
- Мирный термояд – почти реальность
- Физики США вторично добились положительного термоядерного синтеза
Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
Ядерный синтез — естественная реакция в звездах, но его крайне сложно воспроизвести на Земле. Исследователи все еще сталкиваются с рядом технических проблем, чтобы собрать воедино условия, необходимые для контролируемого и экономически эффективного ядерного синтеза. Плотность плазмы — одно из важнейших условий для воспроизведения реакции. Чем плотнее материал, тем большее количество горючих частиц он содержит, что повышает вероятность термоядерного синтеза. В ядерных реакторах типа токамак эта плотность ограничена. Однако в ходе недавнего эксперимента ученым из General Atomics компании, специализирующейся на ядерной физике удалось увеличить плотность плазмы, как никогда ранее, без ущерба для ее удержания.
Подробности были опубликованы в журнале.
Можно использовать и ввод обладающих компонентой импульса в тороидальном направлении электромагнитных волн различного диапазона: электронного циклотронного, нижнегибридного, а также свистового волны-геликоны. Весьма интересен и крайне важен так называемый бутстрэп-эффект bootstrap , заключающийся в формировании анизотропной функции распределения заряженных частиц неоднородной плазмы в магнитной конфигурации токамака эффект связан с тороидальной геометрией токамака и в цилиндре отсутствует. Точно так же большинство физических вопросов, казавшихся непреодолимыми на начальном этапе работ по УТС, таких как управление равновесием, многочисленные неустойчивости, аномальные процессы переноса, сегодня решены на практическом уровне. В конечном счёте наиболее принципиальной сегодня можно считать задачу устранения негативного воздействия стенки, ограничивающей разряд, и других взаимодействующих с плазмой элементов. Проблема взаимодействия плазма—стенка для УТС двоякая. С другой стороны, существует обратное влияние на плазму. Выбиваемые из стенки примесные атомы и молекулы поступают и могут накапливаться в плазме, приводя к дополнительным потерям на излучение, диссипации тока и даже деградации разряда. Накопление примесей вблизи стенки продуктов её эрозии увязывают с сокращением длительности разряда.
Кроме того, стенка может довольно эффективно абсорбировать изотопы водорода, служащие термоядерным горючим. Отчётливо видно, что для сверхпроводящих систем повышение длительности разряда пока удаётся совмещать только со снижением нагрузки на стенку. Одна из них заключается в использовании жидкого лития как материала с низким зарядовым числом в промежуточном слое между плазмой и стенкой или пластинами дивертора. При этом возможные функции такого литиевого слоя могут несколько разниться. Литий должен собираться специальными литиесборниками и очищаться от абсорбированных продуктов — но уже вне камеры. Извлечённые изотопы водорода направляются в систему подачи топлива. Кроме того, часть принимаемой литиевым слоем энергии может высвечиваться в виде ультрафиолетового излучения, снижая температуру пристеночной плазмы и способствуя более равномерному распределению тепловой нагрузки по стенке камеры [ 11 ]. Большие объёмы циркулирующего лития и его проникновение в основную плазму — вот основные трудности на пути реализации этого подхода. Можно ли обеспечить относительно быстрое ламинарное течение тонкого слоя жидкого лития по металлической пластине, полностью поглощаю-щего попадающие в него частицы плазмы так называемый случай нулевого рециклинга?
Будет ли при этом автоматически достигаться улучшение удержания плазмы в основном объёме реактора и, как следствие, повышение температуры? Продуктивность этой концепции [ 12 ] и иных возможностей использования лития требует детальной экспериментальной проверки. 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.
Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание. На достижение этого потребовалось семь десятилетий. Теоретически внедрение термоядерных реакторов в широком коммерческом масштабе даст нам источник энергии, не загрязняющий окружающую среду, не сжигающий ископаемое топливо и не производящий радиоактивные отходы. 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.
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. Первые несколько комбинаций параметров не принесли успеха, и только три последние попытки позволили резко повысить энергетический выход по сравнению со всеми прошлыми попытками рис. Рекордными оказались выстрелы, произведенные 27 сентября и 19 ноября прошлого года. Опубликованные в статьях результаты относятся прежде всего к этим двум сеансам работы. Рекордные выстрелы Наблюдение за результатами лазерного выстрела велось с помощью целого арсенала инструментов — применялось свыше 50 различных диагностических методик! Это позволило проследить за всеми аспектами схлопывания капсулы и восстановить физические условия в этом процессе. Для рекордных выстрелов были получены следующие данные. Температура доходит до 60 млн градусов, а это уже достаточно для запуска термоядерной реакции синтеза. Изображения центральной горячей зоны в сеансе работы 27 сентября 2013 года.
Изображения a, b — это вид сбоку и сверху в мягких рентгеновских лучах, цвет здесь передает относительную яркость свечения. Изображение c — реконструированный трехмерный профиль области горячей зоны, в которой видны небольшие деформации. Изображение d — нейтронный «снимок» центральной области; красная область отвечает нейтронам с энергией 13—17 МэВ и непосредственно показывает область реакции, голубой цвет — нейтроны с энергией от 6 до 12 МэВ. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Энергетический баланс реакции подводился с помощью рентгеновских и нейтронных наблюдений рис. Они показали, что самая горячая центральная область оставалась более-менее сферической вплоть до максимального сжатия — это доказывает, что физикам до какой-то степени удалось побороть неустойчивость при сжатии. Размеры горячей области и длительность ее свечения позволили найти, сколько энергии было поглощено топливом примерно 9 кДж в выстреле 19 ноября. А зная нейтронный поток, можно было сосчитать энергетический выход реакции — около 17 кДж. Таким образом, в рекордном выстреле в ходе термоядерной реакции было произведено примерно вдвое больше энергии, чем было вложено в топливо. Второй важный результат, полученный в рекордных выстрелах, тоже можно увидеть на рис.
Опять же, благодаря совокупности наблюдений удалось выяснить, какая часть нейтронного потока была вызвана простым нагревом из-за сжатия, а какая возникла за счет дополнительного разогрева альфа-частицами. Выяснилось, что в рекордных выстрелах дополнительный разогрев увеличивал поток примерно вдвое, и это намного превышало предыдущие значения. Таким образом, этот процесс впервые эффективно заработал в NIF, а значит, еще немного — и будет достигнута вторая цель NIF, полноценное самоподдерживающееся термоядерное горение всего топлива в капсуле. Измерения показали, что во время рекордных выстрелов выгорело лишь несколько процентов от всего объема дейтериево-тритиевого топлива. Если реакцию удастся запустить, энергетический выход возрастет еще как минимум на порядок. Что нужно сделать исследователям, чтобы достичь этой цели? Общая идея ясна: надо постараться повысить плотность или размер центральной области хотя бы раза в два.
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития. Американцы совершили прорыв в изучении термоядерной энергии. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции.
Ракетчики начали строить термоядерный двигатель
Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. В запущенном в Китае реакторе термоядерного синтеза использовалось достижение российских ученых, создавших устройство, отслеживающее температуру плазмы. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и.