Все самое интересное и актуальное по теме "Ядерная физика". Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. Проблемы термояда обсудили на 50‑й Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в Звенигороде 20–24 марта.
Почему сложно построить реактор для синтеза
- Прорыв в термоядерном синтезе
- Статьи по теме «термоядерный синтез» — Naked Science
- ядерная физика
- Реакция общества
- Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
Клаус Фукс получил от Англии 14 лет каторги, а от Страны Советов — вечное забвение
- Выбор сделан - токамак плюс - Российская газета
- Зажгли. Лазерная установка NIF вышла в термоядерный плюс
- : истории из жизни, советы, новости, юмор и картинки — Горячее | Пикабу
- Клаус Фукс получил от Англии 14 лет каторги, а от Страны Советов — вечное забвение
- Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова - МК
- Преодоление предела Гринвальда
Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский. В Саровском ядерном центре создается аналогичная установка для экспериментов, позволяющих работать с управляемым термоядерным синтезом с инерциальным удержанием. Зачем на самом деле строится самый большой термоядерный реактор. Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного. В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М.
Содержание
- Зажгли. Лазерная установка NIF вышла в термоядерный плюс
- Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
- Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
- Как причесать ежа, или попытки удержать плазму
Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
И вот человек, инженер-радиоэлектроник, говорит мне: «Мы еще знали в советское время, что если произвести в сотнях километрах на нашей же территории где-нибудь над Сибирью термоядерный взрыв, например, ядерный взрыв, то ничего не будет на Земле. Ничего такого страшного. Ни ядерной зимы, которую все боятся. Ни чудовищной радиации, которая убьет всех вокруг, а кого не убьет, то те умрут в течение десяти лет от онкологии. Этого ничего не будет.
А что будет — так это будет выведена из строя вся радиоэлектроника. Вся цифра, все спутники». Вот эта камера, на которую меня сейчас снимают, вот этот телефон, который рядом со мной лежит. Мы вернемся с вами в год этак какой-нибудь 93-й.
Проводные телефоны. Двушечка или не двушечка, я не помню, в телефоне-автомате. Я вам скажу: чудесно же жили. Вот право.
Я даже обрадуюсь. Как минимум мне не придется объяснять своим детям, почему у всех есть гаджеты, а у них нет. Я запрещаю своим детям иметь гаджеты. Это отдельная тема.
Сейчас не об этом. Но как минимум вот это будет гора с плеч. Каждый раз, когда дети возвращаются из школы: «Вот, у всех есть телефоны, айпады, а у нас нет, почему у нас нет? То есть эта опция, она остается.
И это еще самая гуманная, самая такая, знаете, травоядная опция.
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.
От дальнейших комментариев в ведомстве отказались. Лаборатория подтвердила успешный эксперимент в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций, но подчеркнула, что анализ результатов продолжается. Однако точная выработка все еще определяется, и мы не можем подтвердить, что на сегодняшний момент она превышает пороговое значение, — говорится в сообщении.
Два осведомленных источника сообщили, что выход энергии превысил ожидаемый, повредив часть диагностического оборудования и затруднив анализ. При этом прорыв уже широко обсуждается учеными, добавили источники. Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций стоимостью 3,5 миллиарда долларов изначально строился для испытаний ядерного оружия через имитацию взрывов, но с тех пор использовался для исследований в области термоядерной энергии. Gizmodo США : сможет ли человечество использовать термоядерный синтез как источник энергии? Ученые давно ведут поиски альтернативных источников энергии для спасения планеты. Один из них — управляемый термоядерный синтез.
Вице-президент по исследованиям и разработкам Бен Левитт отметил, что измерения были сделаны на реакторе невероятно скромного масштаба в сравнении с традиционными термоядерными аппаратами. В отличие от токамаков и стеллараторов, технология Zap не требует дорогих и сложных сверхпроводящих магнитов или мощных лазеров. 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.
Ученые в США провели третий успешный эксперимент с ядерным синтезом
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. Рыночные перспективы появления почти неограниченной и почти бесплатной энергии оценивает экономист Сергей Хестанов: Сергей Хестанов советник по макроэкономике генерального директора компании «Открытие инвестиции» «Естественно, если удастся создать работоспособный реактор, работающий за счет ядерного синтеза, это буквально обвалит спрос на энергетические товары, то есть на энергетический уголь. В меньшей степени это затронет рынок нефти.
Газ и нефть в значительной мере потребляются не для сжигания, а для разного рода синтетических процессов. Соответственно, эта часть спроса сохранится.
Когда мы ее полностью нагреем — 100 миллионов градусов», — сообщил научный руководитель комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт» Петр Хвостенко. Температура в 10 раз больше, чем в центре Солнца, и задачи космического масштаба — запустить термоядерные реакции, которые происходят в недрах звезд. Звезда по имени токамак — рукотворное Солнце на поверхности на Земле. Эта установка дает надежду на светлое будущее — термоядерный синтез может обеспечить человечество чистой энергией на тысячелетия вперед. И запуск российской установки — большой шаг на этом пути. Токамак Т-15 МД размером с небольшой дачный домик полностью спроектировали и построили в России за 10 лет. Подобный термоядерный реактор должен помочь заменить атомные электростанции и работать на безопасном и доступном топливе — дейтерии и тритии.
На несколько порядков больше, чем сжигание нефти или газа того же количества, в десятки тысяч раз», — сообщил научный руководитель комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт» Петр Хвостенко. Еще в 50-х годах прошлого века советские ученые придумали установку в форме тора, или бублика, где разогретую плазму удерживает магнитное поле. Тогда и родился термин «токамак» тороидальная камера с магнитной катушкой.
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. 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.
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.
Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
Но надо понимать, что термоядерный реактор ITER — это не термоядерная электростанция. Вся термоядерная энергия, которая получается внутри него, будет рассеиваться в окружающем пространстве. Однако термоядерная реакция в ITER будет происходить в любом случае, и будет происходить усиление мощности — то есть, на один вложенный ватт за счет термоядерной реакции будет получено 10 ватт. Зачем нужен термояд? Прежде всего для мировой промышленности.
Дело в том, что уже в ближайшее время, где-то к 2050-му г. Потому что чем выше уровень цивилизации, тем больше энергии она требует. И, несмотря на то, что пока еще сохраняются ресурсы нефти, угля, газа, дефицит энергии никак не покроешь за их счет. Единственный выход — это термоядерная энергетика.
Вот над этим и работают исследователи, особенно в Европе, и лидеры там — немцы. Это уникальная нация, и они это сделают — создадут термоядерную энергетику. А мы, если всерьез не возьмемся за разработки в этой области, окажемся на задворках истории в решении столь серьезной проблемы. Известны две дорожные карты.
Одна — с очень дорогими термоядерными электростанциями, огромными по размеру, до 9 метров большого радиуса тора токамака-реактора. Вторая — с дешевыми, всего 6 американских центов за 1 квт-час электроэнергии, и 1,6-2,0 метров большого радиуса, и это можно сделать на сферических токамаках, на одном из которых мы и работаем, разрабатывая для него системы управления плазмой. Но можно говорить об их разнообразии? Да, существуют различные сферические токамаки.
Они сферические в том плане, что у них аспектное отношение, то есть отношение большого радиуса токамака к малому, составляет, примерно, 1,5, а все другие, конвенциальные, имеют аспектное отношение, приблизительно, 3-4 и выше, и это, в отличие от сферических, не может дать дешевую электроэнергию. Можно строить небольшие установки модульного типа, а потом их наращивать, допустим, вместо одного модуля сделать 10. Модуль — это небольшая часть всей термоядерной установки, это одна независимая небольшая термоядерная электростанция. Это приведет к снижению цены за электроэнергию по современным представлениям.
Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука — это физика высокотемпературной плазмы. Большая, серьезная наука, не все могут ее понимать и осваивать. Тем более, что теория не всегда совпадает с экспериментом, и адекватное понимание эксперимента очень часто основывается на так называемых скейлингах, то есть экспериментальных формулах. В мире сейчас около 40 действующих установок типа токамак, три работающие установки находятся в России.
Они никакой термоядерной энергии не производят, они экспериментальные, на них исследуют плазму, материалы, системы управления плазмой и т. На некоторых установках делали эксперименты с тритием. На них было показано, что термоядерная реакция в принципе возможна, но коэффициент усиления был не больше единицы. Тем не менее, она возможна, потому что возникают нейтроны именно термоядерного происхождения, которые улавливались внешней оболочкой.
Здесь сомнений нет. Вопрос только технологический — можно ли построить термоядерную электростанцию, так, чтобы она действительно давала термоядерную электроэнергию, и чтобы там реально функционировали все системы, которые туда входят. Это сильная альтернатива. У атомных станций два серьезных недостатка.
Первое: они производят отходы, у которых период полураспада сотни и тысячи лет, их нужно где-то хранить, и их много, они накапливаются. Второй недостаток — они могут взрываться. Взрывы были сначала в Чернобыле, и затем на Фукусиме. В токамаках принципиально невозможен взрыв.
Уран, который эти реакторы позволяют вовлечь в ядерно-топливный цикл, дешевый, его много. В общем, физика процесса — интересная: исследование свойств веществ при сверхвысоких давлениях и сверхвысоких температурах. Пусть занимаются. Повторяю, это очень интересная физика.
Но коммерческое использование этого достижения — не раньше, чем через несколько десятилетий. Как шутят сами физики, занимающиеся термоядом, через 50 лет или, может быть, на два дня раньше». Действительно, заявления типа «Ученые США впервые в мире смогли получить от термоядерного синтеза больше энергии, чем на него потратили», «Научные прорывы в этой сфере позволят человечеству в будущем полностью отказаться от ископаемого топлива» существенно переоценивают значение эксперимента на установке NIF. Да, полученной «сверхнормативной» энергии хватит, чтобы вскипятить 10—15 чайников.
Но журнал Nature напоминает: на работу всей установки потратили 322 МДж; лазеры выдали мощность на топливо, равную 2,05 МДж; конечная реакция произвела 3,15 МДж. Но с точки зрения промышленности все остается на своих местах: потратили 322, получили 3,15», — резюмируют сотрудники Московского инженерно-физического института в Telegram-канале «Эвтектика из МИФИ». Но в этой гонке принципов — токамаки vs инерциальный термояд — как-то оказался отодвинутым на периферию научного и государственного, что важно! Этот сценарий, как бы, зеркально противоположен лазерному термояду.
Если в реакторе NIF происходит внешнее обжатие капли термоядерного топлива, то в пузырьковом варианте, наоборот, нейтроны рождаются в результате экстремального схлопывания газовых пузырьков. Любопытно, что теоретическую схему этого процесса предложил как раз академик Роберт Нигматулин в середине 1990-х. По крайней мере в 1995 году он уже выступал с докладом «Перспективы пузырькового термояда» на научной конференции в США. Несколько американских физиков заинтересовались теоретическими выкладками российского ученого, и начались «камерные» лабораторные эксперименты.
Действие лабораторной термоядерной установки основано на эффекте акустической кавитации в специально подготовленной жидкости, подвергнутой воздействию акустической волны, образуется кластер мельчайших пузырьков, которые с огромной скоростью схлопываются. Все происходило в небольшом цилиндре с ацетоном, в котором ядра водорода были заменены ядрами дейтерия, имеющими в своем составе по дополнительному нейтрону. Ученые зарегистрировали поток нейтронов, вылетающих из камеры, где находился цилиндр с ацетоном. Это и появление ядер трития в облученном таким образом ацетоне — явные признаки термоядерной реакции.
А в середине нулевых в одном из номеров журнала Physical Review Е оявилось сообщение группы физиков из двух американских институтов Окриджская национальная лаборатория, штат Теннесси, и Ренселлерский политехнический институт в Трое, штат Нью-Йорк о том, что им вторично удалось получить доказательства существования пузырькового термояда. Экспериментаторы «бомбардировали» цилиндр мощными звуковыми волнами и одновременно — высокоэнергичными нейтронами.
Сун Юньтао, директор ASIPP, сказал, что главное значение этого прорыва заключается в режиме высокого уровня удержания. По его словам, температура и плотность частиц значительно увеличились во время работы с плазмой с высоким уровнем удержания, что заложит прочную основу для повышения эффективности выработки электроэнергии будущих термоядерных электростанций и снижения затрат.
В Китае уже утвержден проект постройки нового испытательного реактора следующего поколения Fusion Engineering. Воспроизвести процессы, идущие в сердцах звезд, — непростая задача.
На практике американские учёные стреляют гранулами, содержащими водородное топливо, в пучок из почти 200 лазеров, создавая серию чрезвычайно быстрых повторяющихся взрывов со скоростью 50 раз в секунду.
Энергия, полученная от нейтронов и альфа-частиц, извлекается в виде тепла, и это тепло является ключом к производству энергии. В данном случае речь идёт о выработке минимального количества энергии, очень далёкого от промышленных масштабов. Если точнее, этой энергии хватило бы на то, чтобы вскипятить 10 чайников воды.
Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
Напомним, что наилучшие режимы удержания плазмы получены сегодня при использовании покрытий с низким зарядовым числом атомов в составе покрытия — углерода и бериллия; в ИТЭРе этими материалами будет покрыта первая обращённая к плазме стенка вакуумной камеры. Вопрос о том, будут ли и в каком количестве ионы вольфрама поступать в основную плазму, снижая её температуру за счёт излучения, может быть окончательно решён только в ходе экспериментов на ИТЭРе. Начиная с 2016 г. В августе 2020 г. Это событие стало предметом пристального внимания со стороны масс-медиа и заслужило ряд приветственных обращений высшего политического руководства стран — участников проекта. Отметим, что в случае соблюдения действующего ныне графика строительства, выполнения всеми сторонами своих обязательств и преодоления последствий пандемии 2020—2021 гг. По мнению авторов, основные проблемы вполне понятны и могут быть поименованы. Во-первых, это колоссальная технологическая сложность самого устройства, которая особенно ясно проявилась в проекте ИТЭР.
Протекающий по плазме токамака электрический ток в тороидальном магнитном поле обеспечивает как формирование итоговой магнитной конфигурации, являющейся идеальной ловушкой для удержания частиц плазмы, так и нагрев этой плазмы. Однако для длительного устойчивого удержания плазмы термоядерных параметров требуется множество инженерных систем, создание которых находится на пределе имеющихся технологических возможностей. Так, например, стационарность требует сверхпроводимости магнитных обмоток; при этом на стенку камеры и в дивертор идут колоссальные потоки тепла. Понятно, насколько серьёзными должны быть инженерные решения, обеспечивающие такое соседство. Другой пример связан с необходимостью создания мощных источников высокоэнергичных нейтральных атомов — речь идёт о нескольких мегаваттах мощности при энергии в сотни и даже тысячи килоэлектронвольт в ИТЭРе два таких источника суммарной мощностью 33 МВт должны выдавать потоки МэВных 4 4 частиц в течение часа; ранее таких источников просто не существовало! Во-вторых, это достаточно очевидная проблема длительного поддержания тока. Униполярный электрический ток, наводимый в тороидальной плазме при помощи индуктора, не может существовать вечно с электротехнической точки зрения токамак представляет собой трансформатор с одновитковой вторичной обмоткой — плазмой.
Сегодня предложено и экспериментально проверено несколько способов неиндукционного поддержания тока, среди которых уже упомянутая инжекция пучков быстрых нейтральных атомов. 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.
Разговоры о нем идут уже не одно десятилетие, и, судя по всему, его использование может начаться совсем скоро, считает автор статьи. Он взял интервью у ряда экспертов, чтобы узнать, способны ли термоядерные реакции обеспечить электроэнергией весь мир. Большинство исследований в этой области сосредоточено на другом подходе — так называемом синтезе с магнитным удержанием. При нем водородное топливо удерживается на месте мощными магнитами и нагревается настолько, что атомные ядра сливаются. Исторически эти исследования вели крупные государственные лаборатории формата ДЖЭТа или Объединенного европейского токамака в Оксфорде, но в последние годы инвестиции хлынули и в частные компании, которые сулят выработать термоядерную энергию уже в 2030-х. По данным Ассоциации термоядерного синтеза, за год до конца июня компании из этой области привлекли 2,83 миллиарда долларов инвестиций, в результате чего общий объем инвестиций частного сектора на сегодняшний день достиг почти 4,9 миллиарда.
Николас Хоукер, исполнительный директор стартапа First Light Fusion из Оксфорда, чей подход аналогичен Ливерморской национальной лаборатории, назвал это событие прорывным. Статья написана при участии Дэвида Шеппарда и Дерека Брауэра.
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. Это системы, в которых радиоактивный изотоп, например плутоний, нагревает окружающую стенку, а дальше с помощью термоэлектрических преобразователей вы переводите тепло в электричество. Есть более дешевые изотопы, извлекаемые из отходов.
На основе найденных величин можно будет рассчитать кинетику ядерных превращений для расчета коэффициента полезного действия КПД конкретной энергетической термоядерной или гибридной ядерной установки. Результаты исследования помогут развитию энергоэффективной термоядерной энергетики.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция. Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного. Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку. На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора. Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке».
Термоядерный синтез
Европейский токамак обновил рекорд по количеству полученной в ходе термоядерной реакции энергии. В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии. Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике.
Поддерживаемый Биллом Гейтсом стартап по термоядерному синтезу превзошел температуру Солнца
Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. Проект National Ignition Facility, специалисты которого и добились успеха, использует метод так называемого «термоядерного инерционного синтеза». На практике американские учёные стреляют гранулами, содержащими водородное топливо, в пучок из почти 200 лазеров, создавая серию чрезвычайно быстрых повторяющихся взрывов со скоростью 50 раз в секунду. Энергия, полученная от нейтронов и альфа-частиц, извлекается в виде тепла, и это тепло является ключом к производству энергии.
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.
В отличие от токамаков и стеллараторов, технология Zap не требует дорогих и сложных сверхпроводящих магнитов или мощных лазеров. 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.
Этот подход, по утверждению компании, может обеспечить безграничную чистую энергию при значительно меньших затратах и сложности, чем у конкурентов. Zap утверждает , что ее Z-пинч реактор является самым простым, маленьким и дешевым устройством, достигшим этой ключевой для термоядерных систем отметки.
Вице-президент по исследованиям и разработкам Бен Левитт отметил, что измерения были сделаны на реакторе невероятно скромного масштаба в сравнении с традиционными термоядерными аппаратами. В отличие от токамаков и стеллараторов, технология Zap не требует дорогих и сложных сверхпроводящих магнитов или мощных лазеров.