что такое термоядерная реакция
Термоядерная реакция
Термоядерная реакция это превращение из более легких атомов в более тяжелые при воздействии тепловой и кинетической энергии.
Термоядерная реакция это разновидность ядерной, для того чтобы произошла реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть «кулоновский барьер» — силу электростатического отталкивания между ними.
Что такое термоядерная реакция
Общая внутренняя потенциальная энергия свободных частиц больше, чем потенциальная энергия этих же частиц в условиях, когда они образуют ядро атома, т. е. связаны между собой ядерными силами.
Разность между этими величинами называется энергией связи ядра и численно равняется работе, которую надо совершить внешними силами, чтобы разъединить эти частицы, т. е. разрушить ядро (эта работа переходит в потенциальную энергию свободных частиц, поэтому их общая энергия больше).
Отсюда следует, что при образовании ядра атома из свободных частиц — протонов и нейтронов или при укрупнении ядер легких элементов должна выделяться энергия связи, весьма значительная по величине.
Однако для осуществления подобных реакций частицы надо предварительно (преодолевая силы электростатического отталкивания между протонами) сблизить на расстояние радиуса действия ядерных сил.
Сближение на такое расстояние возможно, например, при соударении частиц с высокой кинетической энергией.
Однако решение, например, задачи укрупнения ядра путем обстрела его частицами с достаточно высокой кинетической энергией не будет экономичным вследствие очень малой вероятности таких реакций.
Реакция станет экономичной только при массовых столкновениях частиц и ядер, что может быть достигнуто путем нагревания смеси их до сверхвысоких температур, порядка десятков миллионов градусов. Реакции, требующие подобных условий, называются термоядерными реакциями.
Термоядерная реакция на солнце
Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и являются источником пополнения тех громадных количеств энергии, которое Солнце теряет путем излучения.
Одна из возможных реакций это образование ядра гелия из четырех протонов (с выбрасыванием двух позитронов и двух нейтрино); реакция проходит через ряд промежуточных стадий, в которых принимают участие ядра других элементов.
В несколько более легких условиях может протекать реакция синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития по реакции
При реакции выделяется энергия 17,5 Мэв (на 1 г смеси это составляет 80 жлн. ккал — в четыре раза больше, чем при делении ядер 1 г урана).
Температурные условия, необходимые для этой реакции в земных условиях, достигнуты пока только при взрыве урановой бомбы, а сама реакция осуществлена и реализуется в водородной бомбе.
Водородная бомба
Управляемая термоядерная реакция
Ученые ведут работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции.
Исследования проводятся в направлении использования для этих целей мощного электрического разряда в разреженной смеси дейтерия и трития, при котором ток в течение миллионных долей секунды достигает сотен тысяч ампер.
Под действием специально сформированного магнитного поля газовая плазма сжимается в узкий плазменный шнур, окружающий его вакуум предупреждает тепло потери во внешнюю среду, что обеспечивает возможность достижения внутри плазмен ного шнура необходимых температур.
Целью этих исследований является осуществление управляемой термоядерной реакции с использованием выделяющейся при этом энергии для мирных целей.
Похожие страницы:
Понравилась статья поделись ей
Термоядерный синтез все реальнее: MAST, EAST и ITER, дейтерий-тритиевые эксперименты и другие достижения
Термоядерные реакторы существуют десятки лет, но управляемая термоядерная реакция все это время оставалась недостижимой. Она постоянно находилась в ближайшем будущем, ученые говорили: «Через 10 лет, скорее всего, мы достигнем успеха». Но проходило десять лет, и ничего не менялось — по-прежнему публиковались научно-популярные статьи, где говорилось все о том же сроке в 10 лет.
Сейчас, насколько можно судить, мнiогое изменилось — разработчики термоядерных установок достигли действительно заметных успехов. Речь идет как о новых реакторах, так и об уже существующих. В целом, вероятность того, что управляемый термоядерный синтез станет реальностью в течение ближайших нескольких лет, достаточно высокая. Давайте оценим успехи ученых последних лет и посмотрим, что там планируется.
Модернизированный сферический токамак MAST возобновил работу
В конце мая снова начал работу сферический токамак MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak). Камера у этой установки не очень большая — диаметр 4 метра. Последние несколько месяцев систему модифицировали, включая оптимизацию систему охлаждения плазмы до ее сброса. Возможно, этот реактор послужит прототипом для небольших, но эффективных систем будущего.
К слову, сам токамак из Британии совсем не нов — его сборка стартовала в 1997 году, а работать он начал два года спустя. Проблемой стал небольшой размер камеры — из-за этого разогретая свыше сотни млн кельвинов плазма разрушала вольфрамовые плитки.
В 2013 году команда поняла, что установку нужно модернизировать. Правительство выделило деньги, около 55 млн фунтов, и началась реконструкция. Завершена она была лишь в октябре 2020 года, после чего последовал период тестирования. Токамак подвергся многочисленным проверкам, и лишь в 2021 году его приняли в эксплуатацию.
В итоге проблемы разрушения плиток удалось избежать. А плазма теперь при сбросе понижает температуру с сотни млн °C до всего 300 °C.
В прошлом году британские физики начали работу над еще одним проектом — токамаком STEP (Spherical Tokamak for Energy Production).
Проект ITER продвигается к завершению
В прошлом году в исследовательском центре Кадараш во Франции стартовало строительство экспериментальной термоядерной установки ITER, реактор начали собирать из подготовленных ранее компонентов. Это масштабный проект, в котором принимают участие специалисты из самых разных стран, включая ЕС, Индию, Китай, Южную Корею, Россию, США и Японию.
Реактор представляет собой цилиндр диаметром 28 метров, высотой 29 метров и весом 23 000 тонн. Размещается система в железобетонном объекте с длиной 120 метров, шириной 80 метров и высотой 80 метров.
Несмотря на некоторые проблемы, проект постепенно продвигается к завершению. Через четыре года разработчики планируют получить первую плазму. В течение десяти лет ученые будут проводить эксперименты, подводя работу к главному результату — получению управляемой термоядерной реакции.
Если все пройдет хорошо, то где-то в 2035 году появятся первые коммерческие реакторы DEMO.
Этим летом (т.е. 2021 г.) проводятся эксперименты с новой смесью для термоядерного реактора ITER. Речь идет о дейтерий-тритиевой смеси, которая будет использоваться в качестве основного «топлива» для реактора». Испытания смеси будут проходить в Великобритании на площадке JET (Joint European Torus — Объединенный европейский токамак).
Этот реактор — работающая модель ITER с размером в 1/10 от размера полномасштабной установки. Если все пройдет хорошо с JET — значит, не должно быть проблем и с его «старшим братом». Эксперименты JET позволят увидеть, как будет вести себя плазма и какие сложности могут возникнуть. В ходе испытаний ученые используют не более 60 гр трития при температуре плазмы в 150 млн К — именно такая температура требуется для старта синтеза.
У JET весьма неплохие показатели — отношение затраченной на разогрев плазмы энергии к полученной энергии составляет 0,67. Для того, чтобы получить коммерческую систему, этот коэффициент, Q, должен быть больше единицы. Для того, чтобы отбить затраты и стать экономически выгодным проектом, Q должен быть равным или превышать 25. Авторы проекта ITER считают, что его Q будет не менее 10.
EAST ставит рекорды
Как уже писали на Хабре, китайским ученым удалось побить рекорд корейцев по удержанию сверхгорячей плазмы. Команда термоядерного реактора EAST смогла добиться невиданных доселе результатов — удержания плазмы с температурой 160 млн К в течение 20 секунд. Плазму с температурой в 120 млн К они удерживали 101 секунду. Это уже очень близко к порогу термоядерного синтеза — речь идет не о долях секунды, а о десятках секунд.
Для того, чтобы началась непрерывная реакция термоядерного синтеза в установке с получением энергии, плазму температурой в 150 млн К нужно удерживать около 300-400 секунд.
EAST — тоже токамак, отличающийся от большинства похожих конструкций наличием полностью сверхпроводящей магнитной системы на основе ниобий-титановых проводников. При этом большой радиус камеры составляет всего 1,7 метра, то есть диаметр даже меньше, чем у британской установки, о которой говорилось выше — 3,4 метра вместо 4. И проблем с разрушением вольфрамовых плиток, насколько можно судить, у китайцев нет.
Стелларатор W7-X
Кроме токамаков, есть и термоядерные установки с иной конфигурацией. Например, стеллараторы. Форма магнитной катушки таких установок как бы повторяет конфигурацию нагретой плазмы, что позволяет не бороться с плазмой, а просто использовать ее особенности.
Установка Wendelstein 7-X (W7-X) — современный стелларатор, построенный по последнему слову термоядерных технологий. Конструкция стелларатора постепенно оптимизируется, в планах создателей — обеспечить работу системы вплоть до 30 минут, что, конечно, гораздо лучше любых рекордов токамаков.
Wendelstein 7-X (W7-X) предназначен, в первую очередь, быть proof of concept, показав жизнеспособность конструкции — получать энергию с его помощью не планируется. К сожалению, из-за пандемии эксперименты с системой отложены минимум на год. Работа возобновится не ранее следующего года.
Осторожный оптимизм
Несмотря на все эти успехи, все равно не стоит считать, что термояд уже у человечества в кармане. Предстоит решить еще очень много проблем, причем в будущем могут возникнуть новые.
Тем не менее, сейчас ученые достигли немалых успехов, изучением возможностей термоядерного синтеза заняты ученые многих стран. Это уже не парочка проектов, как пару десятков лет назад. При этом регулярно появляются новые системы — как токамаки, так и альтернативы.
Китайская установка вселяет уверенность в том, что цели, которые ставят перед собой ученые, будут решены в ближайшем будущем. При этом есть надежда и на ITER с его дейтерий-тритиевым «топливом».
Если W7-X покажет хорошие результаты — кто знает, может, именно стеллараторы вырвут победу, а токамаки останутся позади.
В любом случае, термоядерный синтез привлек внимание не только ученых, но и правительств крупнейших государств мира. И вряд ли это внимание, интерес, ослабнут. Скорее наоборот — будут лишь усиливаться.
Если все пойдет по плану, США к 2035 году ликвидируют все выбросы парниковых газов в своем секторе электроэнергетики. В этой амбициозной цели правительство в основном полагается на резкое увеличение производства энергии ветра и солнца. Вскоре этот план может получить поддержку и ядерного синтеза — мощной технологии, которая до недавнего времени казалась недосягаемой. Рассказываем, что это такое и помогут ли ядерные технологии климату.
Читайте «Хайтек» в
Ядерный синтез (в данном случае речь о термоядерном синтезе) — это реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Такая реакция обратна делению атомов: в последней энергия выделяется за счет расщепления тяжелых ядер на более легкие.
Согласно современным астрофизическим представлениям, основным источником энергии Солнца и других звезд является происходящий в их недрах термоядерный синтез. В земных условиях он осуществляется при взрыве водородной бомбы. Термоядерный синтез сопровождается колоссальным энерговыделением на единицу массы реагирующих веществ (примерно в 10 млн раз большим, чем в химических реакциях). Поэтому представляет большой интерес овладеть этим процессом и на его основе создать дешевый и экологически чистый источник энергии. Однако несмотря на то, что исследованиями управляемого термоядерного синтеза (УТС) заняты большие научно-технические коллективы во многих развитых странах, предстоит решить еще немало сложных проблем, прежде чем промышленное производство термоядерной энергии станет реальностью.
Современные атомные станции, использующие процесс деления, лишь отчасти удовлетворяют мировые потребности в электроэнергии. Топливом для них служат естественные радиоактивные элементы уран и торий, распространенность и запасы которых в природе весьма ограничены; поэтому для многих стран возникает проблема их импорта. Главным компонентом термоядерного топлива является изотоп водорода дейтерий, который содержится в морской воде. Запасы его общедоступны и очень велики (Мировой океан покрывает
71% площади поверхности Земли, а на долю дейтерия приходится около 0,016% общего числа атомов водорода, входящих в состав воды).
Помимо доступности топлива, термоядерные источники энергии имеют следующие важные преимущества перед атомными станциями:
Успешное осуществление реакции синтеза зависит от свойств используемых атомных ядер и возможности получения плотной высокотемпературной плазмы, которая необходима для инициирования реакции.
Как выделяется энергия при синтезе?
Энерговыделение при ядерном синтезе обусловлено действующими внутри ядра чрезвычайно интенсивными силами притяжения; эти силы удерживают вместе входящие в состав ядра протоны и нейтроны. Они очень интенсивны и чрезвычайно быстро ослабевают с увеличением расстояния. Помимо этих сил, положительно заряженные протоны создают электростатические силы отталкивания. Радиус действия электростатических сил гораздо больше, чем у ядерных, поэтому они начинают преобладать, когда ядра удалены друг от друга.
В нормальных условиях кинетическая энергия ядер легких атомов слишком мала для того, чтобы, преодолев электростатическое отталкивание, они могли сблизиться и вступить в ядерную реакцию. Однако отталкивание можно преодолеть «грубой» силой, например, сталкивая ядра, обладающие высокой относительной скоростью.
Зачем ученые занимаются ядерным синтезом?
Исследователи, разрабатывающие термоядерный реактор, который может генерировать больше энергии, чем потребляет, показали в серии недавних работ, что их конструкция должна работать, восстанавливая оптимизм в отношении того, что этот чистый, безграничный источник энергии поможет смягчить климатический кризис.
Группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) и других институтов заявляет, что компактный термоядерный реактор SPARC будет работать в реальности. По крайней мере, теоретически, о чем они утверждают в серии недавно опубликованных исследований.
Команда указывает, что на этапах планирования не было обнаружено никаких неожиданных препятствий или сюрпризов. Об этом говорится в семи статьях, написанных 47 исследователями из 12 разных научных учреждений.
Хотя новый реактор все еще находится на ранней стадии разработки, ученые надеются, что к концу десятилетия он сможет начать производить электричество. Мартин Гринвальд, один из старших ученых проекта, рассказал в интервью The Guardian, что ключевой мотивацией для амбициозных сроков является удовлетворение потребностей в энергии в условиях потепления. «Fusion кажется одним из возможных решений, позволяющих выбраться из надвигающейся климатической катастрофы», — сказал он.
В чем проблема синтеза и как он может помочь планете?
Ядерный синтез, физический процесс, который приводит в действие наше Солнце, происходит, когда атомы сталкиваются вместе при чрезвычайно высоких температурах и давлении, заставляя их выделять огромное количество энергии за счет слияния с более тяжелыми атомами.
С тех пор, как он был впервые обнаружен в прошлом веке, ученые стремились использовать термоядерный синтез, чрезвычайно плотную форму энергии, топливо которой — изотопы водорода — в изобилии и пополняется. Более того, термоядерный синтез не производит парниковых газов или углерода и, в отличие от ядерных реакторов деления, не несет риска расплавления.
Однако использование этой формы ядерной энергии оказалось чрезвычайно трудным, поскольку потребовалось нагреть «суп из субатомных частиц» — плазму, до сотен миллионов градусов — слишком горячих, чтобы их мог выдержать любой контейнер. Чтобы обойти это, ученые разработали камеру в форме пончика с сильным магнитным полем, проходящую через нее, названную токамаком, которая удерживает плазму на месте.
Что уже разрабатывается?
Ученые Массачусетского технологического института и дочерняя компания Commonwealth Fusion Systems приступили к проектированию нового реактора, более компактного, чем его предшественники, еще в начале 2018 года, а строительство начнется в первой половине следующего года. По словам исследователей и официальных лиц компании, если их график пойдет по плану, реактор под названием Sparc сможет производить электроэнергию для сети к 2030 году. Это будет намного быстрее, чем существующие крупные инициативы по термоядерной энергии.
Существующие конструкции реакторов слишком велики и дороги, чтобы реально вырабатывать электроэнергию для потребителей. Используя ультрасовременные сверхпрочные магниты, команда Массачусетского технологического института и Commonwealth Fusion надеется создать компактный, эффективный и масштабируемый реактор токамака. «Что мы действительно сделали, так это совместили существующую науку с новым материалом, чтобы открыть огромные новые возможности», — сказал Гринвальд.
После демонстрации того, что устройство Sparc теоретически может производить больше энергии, чем требуется для работы, в исследовательских работах, опубликованных в сентябре, следующим шагом является строительство реактора, а затем пилотная установка, которая будет вырабатывать электроэнергию в сети.
Все «за» и «против» ядерного синтеза
Ученые и предприниматели давно обещали, что термоядерный синтез не за горами, но столкнулись с непреодолимыми проблемами. Это вызвало нежелание инвестировать в него, особенно потому, что ветровая, солнечная и другие возобновляемые источники энергии, хотя и менее мощные, чем термоядерный синтез, стали более эффективными и рентабельными.
Но ситуация меняется. В плане Байдена на сумму 2 трлн долларов он назвал передовые ядерные технологии частью стратегии декарбонизации. Демократы впервые поддержали ядерную энергетику с 1972 года. Значительные инвестиции поступают также из частных источников, включая некоторые крупные нефтегазовые компании, которые видят термоядерный синтез как лучшая долгосрочная точка опоры, чем ветер и солнце.
По словам Боба Мамгаарда, исполнительного директора Commonwealth Fusion, цель состоит не в том, чтобы использовать термоядерный синтез для замены солнечной и ветровой энергии, а в их дополнении. «Есть вещи, которые будет сложно сделать только с использованием возобновляемых источников энергии, в промышленных масштабах, например, с питанием больших городов или производства, — сказал он. — Вот где может пригодиться синтез».
Сообщество специалистов по плазме в целом с энтузиазмом относится к прогрессу Sparc, хотя некоторые ставят под сомнение амбициозные сроки, учитывая технические и нормативные препятствия.
Дэниэл Джессби, проработавший 25 лет научным сотрудником в Принстонской лаборатории физики плазмы, скептически относится к тому, сможет ли термоядерный реактор, такой как SPARC, когда-либо стать возможным альтернативным источником энергии. По его словам, тритий, один из изотопов водорода, который будет использоваться Sparc в качестве топлива, не встречается в природе и его необходимо производить.
Команда Массачусетского технологического института предполагает, что это вещество будет непрерывно регенерироваться самой реакцией синтеза. Но Джессби считает, что для этого потребуется огромное количество электроэнергии, что сделает реактор непомерно дорогим. «Когда вы считаете, что мы получаем солнечную и ветровую энергию бесплатно, было бы глупо полагаться на реакцию синтеза», — заключает он.
Как укротить термоядерный синтез и зачем он нам нужен?
Мы уже писали о неожиданных и примечательных идеях и разработках в области получения энергии от ядерного распада. А также о том, что приходится делать, когда с ядерными реакторами что-то идёт не так. Свобода, как известно, лучше несвободы, а синтез — лучше распада. Именно так подумали учёные ещё сто лет назад, когда сделали первые шаги по укрощению термоядерного синтеза. В этой статье мы кратко расскажем, что такое термоядерный синтез, на каком этапе находятся научные разработки и когда стоит ждать внедрения нового способа добычи энергии. В конце концов, именно за этим он и нужен человечеству.
Staring at the Sun: история открытия термоядерного синтеза
С развитием науки человечество начало задаваться вопросом о том, как работает Солнце, почему не гаснет и продолжает выделять тепло и свет. Ещё в двадцатых годах прошлого века — почти сто лет назад — британский учёный Артур Стэнли Эддингтон выступал с идеями протон-протонного цикла, то есть совокупности термоядерных реакций, в ходе которых водород в звёздах превращается в гелий. И сопутствует этой реакции выделение колоссальных объёмов энергии, что легко можно ощутить, просто выйдя на улицу в солнечный день.
Чуть позже, уже в тридцатые годы, учёные из Кембриджского университета под руководством австралийца Марка Олифанта в результате ряда экспериментов обнаружили нуклоны (общее название составляющих атомное ядро протонов и нейтронов) гелия-3 и трития, принимающие участие в этих реакциях, а их немецкий коллега, Ханс Бете, получил Нобелевскую премию по физике за вклад в теорию ядерных реакций и, особенно, за открытия, касающиеся источников энергии звёзд. Уже в 1946 году сэр Джордж Паджет Томсон и Моисей Блэкман описали и запатентовали идею Z-pinch, то есть системы удержания плазмы при помощи магнитного поля или «магнитной ловушки», которая легла в основу дальнейших экспериментов по созданию первых устройств управляемого термоядерного синтеза.
Лабораторная магнитная ловушка, фото: Sandpiper / Wikimedia Commons
Бесконечная мощь: преимущества, недостатки и препятствия для реализации
От истории перейдём к общей теории. Управляемый термоядерный синтез — это процесс получения более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью (в теории) использования выделяемой энергии для добычи электричества. По своей сути он противоположен реакции распада, которая применяется в традиционной ядерной энергетике. В основном для проведения реакции термоядерного синтеза используются дейтерий и тритий (так называемая реакция D-T), хотя также возможны варианты с дейтерием и гелием-3, между ядрами дейтерия (D-D) и другими сочетаниями изотопов.
Сами по себе атомные ядра взаимодействуют не особо охотно из-за «кулоновского барьера», то есть силы электростатического отталкивания между ними. Чтобы преодолеть её и начать реакцию в земных условиях, вещество необходимо нагреть до достаточно высокой температуры, причём речь в данном случае идёт о сотнях миллионов градусов. Именно от этого процесса термоядерный синтез и получил своё название. Сочетание дейтерия и трития в данном случае требует «минимальной» температуры для начала реакции (тех самых 100 млн градусов), поэтому в экспериментальных установках оно используется чаще всего.
Реакция термоядерного синтеза D-T. Источник: Toshiba Energy Systems &Solutions Corporation
Также в ходе реакции появляется большое количество нейтронов, но об их значении поговорим чуть ниже, а сперва постараемся пояснить, почему коммерческое применение этого процесса вообще будоражит умы человечества последние 70 лет. Итак, преимущества управляемого термоядерного синтеза:
Токамак JET, фото: EFDA JET / Wikimedia Commons
Но почему же тогда сам принцип управляемого термоядерного синтеза, разработанный в середине прошлого века, до сих пор не реализован на практике либо реализован только в качестве экспериментальных установок, которые так и не начали производить электроэнергию? Давайте рассмотрим недостатки и ограничения этого процесса.
Сперва вернёмся к нашим нейтронам. В процессе реакции с применением D-T образуется нейтронный поток, который бомбардирует стенки защитной оболочки реактора. В результате мы имеем дело с так называемой «наведённой» радиацией, которая сильно усложняет обслуживание оборудования и, вполне возможно, приведёт к необходимости его периодической замены, так как со временем от бомбардировки нейтронами материалы становятся не только радиоактивными, но и хрупкими. Для решения этой проблемы предлагается использовать малочувствительные к радиации материалы, которые прослужат дольше, но их применение увеличит и без того колоссальные расходы на постройку электростанций термоядерного синтеза. Также рассматривается применение других действующих веществ, чтобы получить «безнейтронные» реакции, но о требованиях к плотности и температуре реакции для них мы уже говорили выше.
Ещё при текущем уровне развития технологий учёные и инженеры не могут добиться того, чтобы расход энергии на нагрев и доведение вещества в реакторе до состояния плазмы, а затем на поддержание его в этом состоянии, несмотря на постоянную потерю тепла (а также на охлаждение системы, работу электромагнитов и других подсистем), упал ниже, чем количество выделяемой в ходе реакции энергии. Например, британский токамак JET достиг соотношения между поступающей и отдаваемой энергией всего в 67%, то есть 0,67 Q. Q — показатель, который выражает отношение количеств затраченной и полученной в такой системе энергии, и для того, чтобы реакция термоядерного синтеза считалась самоподдерживающейся, он должен быть равен хотя бы 5, а для выработки полезных мощностей — намного выше. На сегодняшний день реакторов с таким значением в мире не существует.
Финальным вопросом, конечно, является окупаемость и стоимость. Чтобы добиться точной имитации реакций внутри Солнца, недостаточно просто взять тритий и дейтерий и поднести к ним условную спичку. Реактор термоядерного синтеза — это невероятно сложная, громоздкая и дорогая конструкция, в которой нашлось место массивной системе охлаждения, огромному количеству электромагнитов разных типов и даже собственным электростанциям.
По оценкам, расходы на строительство экспериментального токамака ITER (о нём ниже), которое ещё не завершено, могут превысить 20 млрд долларов. При этом реактор вообще не рассчитан на производство электроэнергии, то есть единственной прибылью от эксплуатации ITER будет опыт совместной работы учёных и экспериментальные данные.
Практическая магия: основные типы конструкции и вехи их развития
Условно установки для управляемого термоядерного синтеза можно разделить на четыре типа: токамаки, стеллараторы, зеркальные ловушки и импульсные системы. На их примере мы предлагаем рассмотреть как развитие идей, которые в дальнейшем могут привести к производству электроэнергии при помощи термоядерного синтеза, так и «тупиковые» ветви, которые по тем или иным причинам в ближайшие годы (или никогда) не выйдут за рамки теории и экспериментов.
Токамак — это сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками», каковая камера — главный элемент реактора, который служит для удержания плазмы. Намотанные вокруг камеры реактора магнитные катушки в данном случае применяются для того, чтобы создать специальное поле, удерживающее плазму от соприкосновения с её стенками, чего современные теплоизолирующие материалы просто не выдержали бы. В то же время через саму плазму также пропускается ток, который служит и для её нагрева, и для создания полоидального магнитного поля. В современных условиях это поле не может существовать дольше нескольких секунд, а без него плазма теряет свою стабильность, поэтому говорить о применении токамаков для постоянного производства электроэнергии ещё рано, хотя поддерживать ток более длительное время можно при помощи микроволнового излучения или введения в плазму нейтральных атомов дейтерия/трития.
Токамак KSTAR, Южная Корея, фото: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons
Идеи токамаков впервые описали в Советском Союзе ещё в 50-х годах прошлого века, а первый такой реактор был построен в Курчатовском институте в 1954 году. Долгое время токамаки оставались чисто советской разработкой, но в 1970-х британские учёные подтвердили рекордные результаты разогрева плазмы, достигнутые на советском токамаке Т-3, и технологией заинтересовались по всему миру.
На сегодняшний день токамаки считаются наиболее перспективной разработкой, и в мире их количество превышает количество установок других типов. Среди достижений в этой сфере стоит отметить китайский EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, построен при поддержке РФ), который достиг в 2018 году температуры плазмы в 100 млн градусов, европейский JET (Joint European Toru), который находится в Великобритании и считается крупнейшим токамаком в мире, а также уже упомянутый выше ITER, на котором остановимся более подробно.
Схема токамака ITER. Источник: Oak Ridge National Laboratory — ITER Tokamak and Plant Systems (2016) / Wikimedia Commons
Идея постройки ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, международный термоядерный экспериментальный реактор) обсуждалась ещё в 1985 году, на встрече Рональда Рейгана и Михаила Горбачева, но реальное строительство началось только в 2010 году. В работе над реактором принимают участие множество стран, включая Японию, государства ЕС, Россию, США, Южную Корею, Китай и Индию. Итогом совместного проекта станет гигантское сооружение весом в 23 000 тонн, которое сместит JET с пьедестала самого крупного токамака на планете и теоретически будет способно довести показатель Q до 30, хотя создатели ITER не ставят перед собой цель добиться выработки электроэнергии — задача токамака окончательно доказать саму возможность использования термоядерного синтеза в этой сфере и проложить «путь» (именно так переводится с латыни сокращённое название реактора) для DEMO, первого токамака с «положительным» балансом, который запустится не раньше середины XXI века.
На долю Японии в проекте ITER выпали разработка и производство одного из важнейших элементов — сверхпроводящих катушек, необходимых для формирования магнитного поля вокруг камеры реактора. В частности, компания Toshiba занимается разработкой конструкции гигантских 16,5-метровых катушек для тороидального поля, которые весят около 300 тонн. При этом необходимо соблюдать крайне строгие допуски на размеры каждой детали — всего в несколько миллиметров — поэтому большим подспорьем становятся технологии и методы, изобретённые во время работы над японскими экспериментальными токамаками, JT-60 и JT-60SA.
Стеллараторы (от лат. stella — «звезда») получили своё название из-за схожести процессов в реакторе с теми, что происходят внутри звёзд. Первый образец был построен в 1951 году в США под руководством его изобретателя, Лаймана Спитцера. Основное отличие стеллараторов от токамаков заключается в конструкции магнитной ловушки: в стеллараторах для удержания плазмы в камере применяется только внешние катушки, которые создают силовые линии, вращающиеся вокруг камеры. Такая конструкция теоретически позволяет использовать магнитную ловушку в непрерывном режиме. В стеллараторах, как и в токамаках практически всегда применяется смесь дейтерия и трития, которая вводится в вакуумный сосуд камеры. В современных вариантах конструкции отказались от камеры в форме обычного тора в пользу сложных моделей, созданных с применением компьютерного моделирования. Их цель — добиться максимальной эффективности удержания плазмы.
Стелларатор Wendelstein 7-X. Источник: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons
Несмотря на возможность непрерывного воздействия на плазму и изменённую конструкцию камеры стеллараторы не получили такого широкого распространения, как токамаки. В первую очередь это связано с большей сложностью конструкции и меньшей их эффективностью в современных условиях. Wendelstein 7-X, построенный в г. Грайфсвальд в Германии в 2015 году стал крупнейшим стелларатором в мире и своеобразной «эпитафией» этой разработке. По расчётам учёных он должен был довести время непрерывного воздействия электромагнитов на плазму до 30 минут, чтобы продемонстрировать возможность использования стеллараторов для долгосрочной генерации электроэнергии. При этом в 2018 году в ходе эксперимента температуру плазмы удалось поднять только до 40 000 градусов Цельсия, а время работы — довести до 100 секунд. Следующие испытания запланированы на 2021 год.
Лазерный ангар NIF/ Источник: Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons
Зеркальные ловушки — первый эксперимент с использованием «открытых» магнитных ловушек был проведен ещё в 1955 году во всё той же Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Идея ловушек заключалась в том, чтобы использовать не закрытый тор, а магнитный сосуд вытянутой формы, открытый с двух противоположных концов. «Новая» плазма в этом случае должна была разогреваться до нужной температуры, отдавать энергию и выходить через боковые отверстия (либо отбиваться магнитным полем обратно, как от зеркал — отсюда и название). Благодаря такой форме и механизму их стоимость оказалась намного ниже, чем у конкурирующих разработок, так что какое-то время зеркальные ловушки казались крайне перспективной разработкой. Но со временем экспериментаторы столкнулись с нестабильностью плазмы, плохо изученной на момент начала разработок, что привело к проблемам и невозможности достичь необходимых для термоядерного синтеза температур. В дальнейшем в конструкцию неоднократно вносились изменения, но амбициозная американская установка MFTF, например, была закрыта ещё до начала пробных запусков, так как токамаки в итоге оказались проще, мощнее и дешевле.
Из интересных разработок этого типа стоит отметить российский ГДЛ (газодинамическая ловушка) из Новосибирска, который создаётся на базе советского проекта 50-х годов, «открытой» ловушки «пробкотрон Будкера». По состоянию на 2018 год учёным Новосибирского Института ядерной физики СО РАН удалось достичь температуры в 10 млн градусов, а в 2020 году они получили грант от Минобрнауки РФ на закупку нового оборудования для продолжения экспериментов.