Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора.
Новый термоядерный рекорд: китайский токамак удерживал плазму 403 секунды
Американцы совершили прорыв в изучении термоядерной энергии. В Саровском ядерном центре создается аналогичная установка для экспериментов, позволяющих работать с управляемым термоядерным синтезом с инерциальным удержанием. Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и. Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции.
Эра термоядерного синтеза
Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times. — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. Все самое интересное и актуальное по теме "Ядерная физика".
Эра термоядерного синтеза
| Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака | К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. |
| Искусственное солнце: как первый в мире термоядерный реактор изменит мир // Новости НТВ | все новости, связанные с понятием "Термоядерный синтез ". Регулярное обновление новостного материала. |
| Эра термоядерного синтеза | Институт Ядерной Физики (ИЯФ). |
| Вестник РАН. T. 91, Номер 5, 2021 | Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. |
| Прорыв в термоядерном синтезе | В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии. |
Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика
| О настоящем и будущем термоядерной энергетики | Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. |
| Статьи по теме «термоядерный синтез» — Naked Science | В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии. |
| Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых | Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. |
| Физика плазмы и инерциальный термоядерный синтез | Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. |
«Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза
В числе причин — отсутствие ряда технологий, ресурс реактора, его размеры. Есть надежда, что в ИТЕРе нам все-таки удастся запустить самоподдерживающуюся реакцию. Кстати, в этом экспериментальном токамаке-реакторе будут использоваться те же сверхпроводники, которые когда-то стояли на нашем Т-15. Они позволят поддерживать поле в магнитных катушках без значительного расхода мощности. Реакция полностью контролируема. Энергетические сферы Параллельно с классическими токамаками в конце 80-х стало развиваться еще одно направление — сферических токамаков, форма которых больше напоминала уже не бублики, а пончики или шарики. Первая экспериментальная установка, построенная в Оксфордшире, рядом с JET, показала, что в такой конфигурации лучше удерживается плазма более высокой плотности. После этого интерес к таким установкам проявили в исследовательских центрах во многих странах мира. Когда установки были запущены, почти у всех трех была выявлена одна общая проблема — плохо удерживались заряженные частицы с большой энергией.
Для исправления ситуации требовалось увеличить магнитное поле. В итоге все три «ушли» на модернизацию до 2016—2017 годов. Однако после перерыва, в 2018 году, запустить свой токамак удалось только ученым из Санкт-Петербурга. Их обновленный «Глобус» стал называться «Глобусом-М2». Конечно, это меньше, чем на большом торе у европейцев, но их показатели нельзя сравнивать из-за небольших размеров нашего «Глобуса», который имеет диаметр всего 36 сантиметров диаметр JET — около 3 метров. На «Глобусе-М2» мы пытаемся проверить правильность выбора сферической формы для термоядерного реактора, понять, будет ли у него преимущество по удержанию плазмы, будет ли он превосходить классический тор по энергозатратам. Но у него будет ряд принципиальных отличий. Прежде всего из-за увеличенных размеров качественно изменятся параметры плазмы.
Кроме того, будут впервые испытаны в таком масштабе сверхпроводящая магнитная система, новые системы дополнительного нагрева плазмы и многое другое. И есть подозрение, что у них это получится быстрее, чем у международного консорциума. Кто в итоге выживет, это пока вопрос. Скорей всего, термоядерный реактор будет построен на базе классического токамака. Но для сферических токамаков может найтись своя ниша, а их коммерческое применение может начаться гораздо раньше. Гибридные технологии Как выяснилось, мало нашим физикам-ядерщикам сферической модернизации термоядерного реактора. Сейчас, по словам Минаева, в нашей стране параллельно запускается процесс разработки и создания гибридной электростанции, основанной на термоядерной и ядерной технологиях. Это позволит эффективней удерживать плазму?
Мы хотим за счет термоядерных технологий решить проблему с «замыканием» ядерного топливного цикла. Представляете, мы сможем нарабатывать искусственное топливо для атомных реакторов, получать в реакторе энергию, а после дожигать отработанное топливо до безопасного состояния, чего раньше никогда не было.
Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений физики высоких плотностей энергии.
Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Мишени прямого облучения представляют собой полую стеклянную или полимерную сферическую оболочку с высокой однородностью толщины, заполненную либо газообразной смесью дейтерий-тритий, либо дейтерием. Диаметр сферы от 200 до 1000 мкм, толщина стенки 0,5—15 мкм, давление газа внутри оболочки 1—100 атм.
На внешнюю поверхность сферы может быть нанесено какое-либо покрытие. Мишени непрямого облучения представляют собой мишень прямого облучения, заключенную в сферический или цилиндрический кожух диаметром 1—4 мм из металла с высоким атомным номером. Мишень для исследования уравнения состояния в лазерных экспериментах представляет собой базовую пластину из алюминия или меди толщиной 40—60 мкм, на одну из сторон которой нанесены в виде ступеньки слои из материала базы и исследуемого материала толщиной 4—10 мкм.
Ступеньки отстоят друг от друга на расстоянии 50—100 мкм. Другая сторона мишени, на которую воздействовал лазерный импульс, покрывалась слоем полипараксилилена толщиной 8—10 мкм. Шероховатость поверхности не превышала 80 нм для свинца, 50 нм для алюминия и 10 нм для меди и полипараксилилена.
При диагностике лазерного излучения и исследованиях плазмы на мощных лазерных установках ИЛФИ "Искра-5", "Луч" для проведения с субнаносекундным временным разрешением временной, пространственно-временной и спектрально-временной регистрации используются фотохронограф с щелевой разверткой СЭР-4 — для видимого и ближнего ИК-излучения, рентгеновский фотохронограф с щелевой разверткой РФР-4 — для мягкого и сверхмягкого рентгеновского излучения.
Одновременно разогрев цилиндр сверху и снизу, лазерные лучи испарили его. Порождённые этим процессом рентгеновские лучи пронизали шарик топлива, состоящего из дейтерия и трития. За время меньшее 100 триллионных долей секунды шарик принял на себя 2,05 МДж энергии и выдал поток нейтронов, порождённых синтезом, унесших с собой 3 МДж энергии — в полтора раза больше, чем было потрачено. В результате был преодолён порог «зажигания», как называют его учёные — когда энергия, произведённая синтезом, превысила энергию запустивших реакцию лазеров.
И каждая такая порция несет разрушительную энергию: тепловая нагрузка на него оказывается больше, чем на внутренние стенки жидкостных ракетных двигателей.
Поэтому, если не предпринимать никаких мер, материал конструкции быстро истончится. На этих установках наши специалисты занимаются не только собственными исследованиями физики плазмы, но и решают нетривиальные физические задачи для проекта ИТЭР. Как работает такой научный обмен? Возьмем физику неустойчивостей, в которой мы работаем. Явления подобной природы проявляются одинаково как в закрытых, так и в открытых системах, где есть магнитное удержание плазмы. Например, на токамаках ученые научились бороться с желобковой неустойчивостью, и эти знания мы можем использовать в открытых ловушках.
Но есть вопросы, связанные, к примеру, со взаимодействием плазмы и материала, которые нельзя решить на существующих сегодня токамаках. В частности, на них нельзя достичь параметров плазменных потоков, которые будут контактировать со стенками термоядерного реактора. А вот на открытых ловушках в силу их геометрической конфигурации такие потоки получить можно. Поэтому подобные эксперименты проводятся в ИЯФ, а полученная информация используется в проекте ИТЭР Еще время от времени и по неизвестным причинам происходит так называемый срыв плазмы, когда она переходит в неустойчивое состояние и полностью изливается в дивертор. Задача распадается на несколько составляющих: какие предельные нагрузки выдерживает дивертор, как уменьшить поток плазмы и есть ли способ ее переизлучить, как ликвидировать или управлять таким срывом? Можно смело утверждать, что термоядерная энергетика начнет реально удовлетворять энергетические потребности человечества уже в последней трети текущего века — именно тогда, когда ожидается энергетический дефицит, если учитывать прогнозы по выравниванию энергопотребления среди стран.
Время термоядерной энергетики действительно пришло: промышленный термоядерный реактор очень скоро будет необходим всем развитым странам мира. Важно и то, что оборудование и технологии, которые мы используем в работе для ИТЭР, помогут нам создавать установки для самостоятельных фундаментальных исследований, которые проводятся в институте. Благодаря первоклассной команде инженеров, технологов и ученых, которая десятилетиями формировалась в нашем институте, и творческому подходу к решению задач мы получаем отличные результаты» Что касается ИТЭР, то этот мировой научно-исследовательский проект явился настоящим шагом в неизведанное. Литература Кругляков Э. Шошин А. Burdakov A.
Axially symmetric magnetic mirrors: history of development and future prospects. Kruglyakov Eh.
Эра термоядерного синтеза
Установка основана на совершенно новом принципе - плазма в так называемой магнитной ловушке удерживается вращающимся магнитным полем, закрученным в спираль винт Архимеда. В зависимости от направления вращения магнитного поля плазма в установке либо "тормозится", в результате чего увеличивается время удержания плазмы, либо, напротив, ускоряется, что, в случае ракетного двигателя, создает реактивную тягу. Использовать для удержания плазмы открытые, то есть незамкнутые магнитные ловушки для плазмы при проведении управляемой термоядерной реакции предложил еще в 1950-е гг. Устройство получило название "пробкотрон Будкера" - технически более простой и надежный способ по сравнению с традиционным, так называемым "токамаком".
Научно-популярное Энергия и элементы питания Экология Во вторник 13 декабря 2022 года учёные, исследующие термоядерный синтез в Ливерморской национальной лаборатории, объявили о достижении долгожданного этапа приручения этого типа энергии. 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.
Ученый физического факультета Томского госуниверситета Михаил Егоров выясняет, для каких реакций и при каких энергиях и температурах выделяющаяся полезная энергия может превышать энергетические потери, связанные с движением заряженных частиц. С использованием точных методов квантовой механики он вычислит сечения наиболее интересных с прикладной точки зрения термоядерных реакций синтеза.
Официального объявления ещё не было. Ожидается, что это будет сделано завтра.
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».
«Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза
| Термоядерную установку, у которой нет аналогов в мире, запустили в Курчатовском институте | 83-летний физик Питер Хиггс, еще в 60-х предсказавший существование поля, которое отвечает за массу всех элементарных частиц, расплакался. |
| Как работает изобретенный китайцами токамак и зачем он нужен | 360° | Европейский токамак обновил рекорд по количеству полученной в ходе термоядерной реакции энергии. |
| Термоядерный синтез | Делается вывод о том, что термоядерные исследования способны выступать и уже выступают мощным драйвером научно-технологического прогресса, механизмом, стимулирующим. |
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
Но физики народ упрямый — им надо во что бы то ни стало их объединить, принудительно разогнать до сверхскоростей при высочайшей температуре и сблизить настолько, чтобы было преодолено электростатическое отталкивание. Тогда и возникнет ядерная реакция с выделением энергии. Атомы трития и дейтерия ионизируются и образуют плазму, которую до определенного времени нужно поддерживать в активном состоянии при очень высоких температурах, измеряемых в сотнях миллионов градусов, а в идеале прийти к тому, что реакция будет энергетически поддерживать саму себя. Цель — получить «положительный выход», чтобы выделившейся энергии в итоге оказалось больше, чем вы получили от розетки на разогрев той самой плазмы. Реактор должен дать больше, чем взял. И этого до сих пор, за десятки лет работы ядерщиков, не достиг еще никто ни в одной стране мира. Токамак или дырка от бублика? Ученые постоянно находятся в поиске.
Возьмем, к примеру, изобретенный в России самый традиционный способ получения плазмы — в устройстве под названием токамак тороидальная, или бубликообразная, камера с магнитными катушками. Кстати, слово «токамак» — это один из немногих русизмов, уже вошедший в обиход ученых всего мира. Плазма в этом реакторе удерживается в торе магнитным полем, не контактируя с материальной стенкой. По принципу токамака с начала 90-х годов прошлого века создается самый большой термоядерный реактор в мире — IТER. Огромное площадью около 1 квадратного километра сооружение на окраине французского города Кадараш стоит почти 20 миллиардов долларов. Россия вносит 10 процентов от этой суммы, но не деньгами. Мы, к примеру, создаем устройства для нагрева плазмы, магнитную систему и прочие необходимые компоненты этого реактора.
Несмотря на большие вложенные средства, самый большой проект, за который многие уже успели получить премии, до сих пор не реализован. Все чаще всплывают какие-то дополнительные проблемы и переносятся сроки запуска. Невольно возникает крамольная мысль: «А может, ученые сговорились и просто обманывают всех? Термоядерная гонка Для того чтобы понять степень сложности проблемы, мы обратились к специалисту — ведущему научному сотруднику Физико-технического института им. В дальнейшем ученые постоянно совершенствовали конструкцию токамаков, улучшая параметры удерживаемой в них плазмы примерно на порядок каждое последующее десятилетие. При этом токамаки неизменно увеличивались в размерах. Наш Т-15, увы, так по-настоящему и не заработал.
Погубили его... Не сами по себе — причина тут чисто экономическая: для охлаждения сверхпроводников нужно было много жидкого гелия, который в то сложное время оказался слишком дорог для российских ученых. Сегодня вместо Т-15 строится новый токамак, без сверхпроводников, который обещают запустить в ближайшее время. В Великобритании и США же тем временем получили плазму с рекордными параметрами и провели первые эксперименты с использованием дейтерия и трития. Американцы спустя несколько лет утилизировали свою установку, чтобы построить на ее месте новый токамак, — такая у них политика.
Конкретно эта технология в плане эксперимента наверняка интересная, но в практическом и энергетическом плане с этим намного сложнее. Если говорить в целом о термояде, это, конечно, десятки лет. Но есть грустная шутка: термоядерный синтез — это технология, до которой всегда 30 лет. Всегда говорят: «Через 30 лет». 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.
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.
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.
Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова
Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. На термоядерной установке в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, США за несколько месяцев энергопроизводительность выросла в 8 раз. Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен!
Термоядерную установку, у которой нет аналогов в мире, запустили в Курчатовском институте
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. Как работает NIF Специально профилированный во времени затравочный импульс «мастер-лазера» расщепляется на 192 луча, каждый из которых проходит 4 раза через 192 усилителя лазерного излучения и направляется на систему преобразования частоты, где исходное инфракрасное превращается в рабочий ультрафиолет.
Через систему фокусировки 192 луча с точностью в 10 микрон проходят через окна в хольрауме, попадая на его внутренние стенки, за 10 наносекунд разогревая их до 3 миллионов градусов. Сфера с топливом, «купаясь» в излучаемом хольраумом рентгеновском излучении начинает испаряться снаружи, а реактивная сила отдачи начинает сжимать внутренние слои к центру симметрии капсулы. Примерно за 2 наносекунды при давлении в 200 миллиардов атмосфер размер сферы уменьшается в 30 раз, а плотность топлива возрастает до 1000-1300 грамм на кубический сантиметр — примерно в 100 раз плотнее свинца.
В момент максимального сжатия, в разогретой центральной части начинается термоядерная реакция, которая, как пожар, распространяется от центра к периферии. Всего несколько десятков пикосекунд продолжается горение, мощность которого в этот короткий миг сравнимо с потоком солнечной энергии на всю планету Земля и в десятки тысяч раз превосходит всю остальную мощность человеческой цивилизации. Как итог — в 2019-2020 году выход термоядерной энергии в экспериментах NIF начал заметно расти, перешагнул порог 100 килоджоулей, а весной 2021 года несколько выстрелов дали энергии от 400 до 700 килоджоулей и наконец 8 августа 2021 года — 1350 килоджоулей.
Эта энергия в 2-5 раз превосходила энергию рентгеновского излучения от стенок хольраума и в 10-20 раз — энергию, переданную топливной сфере и свидетельствовала о том, что зажженная термоядерная реакция в маленькой точке в центре сжатой сферы успевает прогреть и поджечь окружающий ее относительно холодный топливный материал.
В 1950—1960-х годах ученые предположили, что для получения термоядерной энергии необходимо использовать лазеры. С их помощью можно создать огромное давление и температуру, которые необходимы для запуска реакции.
Спустя несколько десятилетий управляемый термоядерный синтез удалось провести в лабораторных условиях. Читайте также Homo Science: Футуроскоп. За искусственным Солнцем: термоядерная энергия.
В классическом варианте вращается деталь, а сверло неподвижно. А для того, чтобы убрать стружку, которая забивает полость сверления, в сквозное отверстие самого сверла пускают охлаждающую жидкость под большим давлением. Но если деталь большая и неподвижная, как в нашем случае, то вращаться должно сверло, и направить жидкость в полость сверления гораздо сложнее. Подобной технологии в ИЯФ не было, поэтому институт купил и модернизировал под свои нужды соответствующее оборудование. Теперь мы можем сверлить на два метра с двух сторон с хорошей точностью. Одна из особенностей этого материала — тщательно контролируемый химический состав, обеспечивающий нужный уровень примесей и легирующих элементов. Пока сделан полномасштабный опытный образец элемента диагностического защитного модуля, другими словами, верхняя крышка.
Работа ведется, можно сказать, по методу последовательного приближения: сначала создается макет, а затем по результатам испытаний происходит корректировка проекта вплоть до стадии прототипирования и постановки на производство. Такой регламент очень важен, так как любой инженерный просчет ставит под угрозу весь проект» В работе по проекту ИТЭР новые технологии требуются буквально на каждом этапе. Как следствие, в институте появляется комплексное высокотехнологичное оборудование, которое ИЯФ будет использовать и для своих собственных проектов. То же самое относится и к новым материалам. Сейчас мы совместно с Новосибирским электровакуумным заводом начинаем исследовательскую работу по разработке более дешевой технологии производства этого нужного материала. Есть и физические задачи, которые также требуют решения. Когда токамак работает в режиме хорошего удержания, плазма сходит с поверхности «бублика» в специальное устройство дивертор порциями, а не сплошным потоком.
И каждая такая порция несет разрушительную энергию: тепловая нагрузка на него оказывается больше, чем на внутренние стенки жидкостных ракетных двигателей. Поэтому, если не предпринимать никаких мер, материал конструкции быстро истончится. На этих установках наши специалисты занимаются не только собственными исследованиями физики плазмы, но и решают нетривиальные физические задачи для проекта ИТЭР. Как работает такой научный обмен? Возьмем физику неустойчивостей, в которой мы работаем. Явления подобной природы проявляются одинаково как в закрытых, так и в открытых системах, где есть магнитное удержание плазмы. Например, на токамаках ученые научились бороться с желобковой неустойчивостью, и эти знания мы можем использовать в открытых ловушках.
Но есть вопросы, связанные, к примеру, со взаимодействием плазмы и материала, которые нельзя решить на существующих сегодня токамаках.
Энергия, получаемая при расщеплении — это то, что обычно называется ядерной энергией, именно на ней работают атомные электростанции. Энергия, получаемая при слиянии, называется термоядерной энергией, а сам процесс — термоядерным синтезом. Энергетический выход термоядерной реакции существенно выше, чем у ядерного топлива, однако приручить этот тип энергии пока не удалось. Конечно, существуют атомные бомбы, работающие по обоим принципам, но их взрыв представляет собой неуправляемую реакцию, и для целей добычи энергии он не подойдет. Классическая реакция термоядерного синтеза: ядра дейтерия и трития сливаются друг с другом с образованием альфа-частицы и свободного нейтрона и с выделением энергии. Рисунок из статьи M. Herrmann, 2014. Plasma physics: A promising advance in nuclear fusion Большинство специалистов связывают основные надежды по достижению управляемого термоядерного синтеза с магнитными ловушками , и прежде всего с международным проектом ITER для первого серьезного знакомства можно порекомендовать лекцию Кристофера Ллуэллин-Смита На пути к термоядерной энергетике.
Но параллельно с этим уже давно разрабатывается и другая схема для запуска управляемой термоядерной реакции — инерциальный термоядерный синтез. Она еще не так развита, как термояд с магнитным удержанием, но некоторые специалисты надеются, что именно на этом пути будет получен первый удобный источник термоядерной энергии. Принцип работы инерциального термоядерного синтеза звучит просто. Берем маленькую капсулу с дейтериево-тритиевой смесью и резко сжимаем ее, например, с помощью сверхмощного лазерного импульса. Капсула от такого сжатия сильно нагревается, и в самом ее центре в условиях высоких температур и давлений зажигается термоядерная реакция. Выделяющаяся энергия разогревает остальную часть дейтериево-тритиевого горючего, и термоядерная реакция охватывает всю капсулу. Подставляя всё новые и новые капсулы под лазерный луч, мы получаем постоянное производство энергии. К сожалению, техническая реализация этой простой идеи неимоверно сложна. Трудности здесь, в основном, технического характера прежде всего, неустойчивости при сжатии капсулы , но преодолеть их пока не получается.
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 удавалось не только выйти на этот режим, но и даже приблизиться к нему. Главный результат новых публикаций NIF заключается как раз в том, что эмпирическим путем был подобран такой режим работы, при котором по крайней мере одна трудность была преодолена, и стали появляться первые намеки на настоящую термоядерную реакцию с хорошим энергетическим выходом. Работа установки NIF Чтобы зажечь термоядерную реакцию в капсуле с топливом, требуется создать в ее центре область очень высокой температуры порядка 100 млн градусов и большой плотности. При меньшей температуре реакция термоядерного синтеза толком не начнется, а при низкой плотности центральная область быстро остынет, не сумев дать заметный энергетический выход. Но для полноценного термоядерного горения этого мало. Если мы хотим, чтобы центральная область не просто загорелась и потухла, а породила самоподдерживающийся термоядерный синтез во всей капсуле, нужно, чтобы топливо разогревало само себя. Это происходит тоже при высоких плотностях, когда рождающиеся в термоядерном синтезе альфа-частицы поглощаются прямо внутри топливной капсулы, а не улетают прочь. Таким образом, можно сформулировать три ключевых задачи для установки NIF: 1 добиться существенного термоядерного синтеза — количество энергии, выделившейся при синтезе, должно превышать энергию, поглощенную топливом; 2 добиться устойчивого термоядерного горения всей топливной капсулы за счет саморазогрева альфа-частицами; 3 добиться полной эффективности выше единицы — то есть энергетический выход должен превышать всю энергию, затраченную на зажигание реакции, а не только ту часть, которая поглощается непосредственно топливом. Достижение этих целей — задача исключительно непростая.
Если просто изготовить капсулу из нужного топлива и сфокусировать на ней мощный лазерный луч, то никакого сжатия не произойдет: капсула просто нагреется и испарится. Даже если сфокусировать несколько лазерных лучей со всех сторон, тоже проку будет немного. Капсула частично испарится, частично сожмется, но сжатие будет сопровождаться сильными искажениями формы это неустойчивость Рэлея—Тейлора , характерная для многих гидродинамических течений. При неравномерном сдавливании капсулы они быстро нарастают, и в результате вместо сильного сжатия оболочку с топливом просто разорвет на куски. Преодоление этих трудностей и является пока главной задачей в инерционном термоядерном синтезе. Установка NIF использует две идеи, помогающие бороться с этими проблемами: слоистую капсулу и непрямое обжатие рис. Чтобы не потерять топливо при нагревании, внешняя оболочка капсулы делается из пластика, а дейтериево-тритиевая смесь наносится в виде льда на внутренную поверхность этой оболочки. Внешний слой поглощает лазерный импульс, резко нагревается и расширяется, ударным образом сжимая при этом внутреннюю часть капсулы.
и
За работой этой лаборатории наблюдал будущий директор Института атомной энергии им. А потом эта лаборатория трансформировалась в филиал Курчатовского института. Этот филиал возглавлял академик М. Миллионщиков, к которому пришел работать Е.
Это ученый мирового уровня с очень широким диапазоном интересов. Но главная его активность состояла в развитии термоядерных исследований в нашей стране. Первые работы института были связаны с низкотемпературной плазмой.
Были выполнены замечательные исследования по лазерной физике, по созданию мощных газоразрядных лазеров. Эта работа продолжается до сих пор. Поскольку было необходимо создать площадку для крупномасштабных плазменных работ в области термоядерных исследований, здесь было решено создать два крупных комплекса.
Один — «Ангара-5-1», а другой — токамак с сильным полем ТСП. Комплекс ТСП еще больше, он просто громаден, занимает целое здание в семь этажей. К нему примыкают четыре здания с ударными генераторами с общим энергозапасом в 4 ГДж.
Строительство таких огромных комплексов, таких термоядерных устройств было начато в 1978 г. В настоящее время этот институт, переживший переименование из Филиала Института атомной энергии им. Исследования по управляемому термоядерному синтезу первоначально начались в середине 50-х гг.
У нас же первый термоядерный проект был запущен в начале 1970-х гг. Куртмуллаев, и у него была очень интересная идея магнитной ловушки. Она была пионерской, лучшей по тем временам, но не смогла стать кардинальным решением термоядерных проблем.
Самое интересное, что в настоящее время эта часть работы остановлена, а в США с использованием той физики, которая здесь была наработана, строится термоядерная установка, в которой обещают получать энергию синтеза в безнейтронном цикле. Это реакция «протон — бор-11». Это была трудная работа?
Надо сказать, что одновременно с большим токамаком, который здесь строился, был привезен из Курчатовского института небольшой токамак. И на этом токамаке начались и идут по сей день очень важные исследования и по физике, и по технологиям. В термояде существуют два направления.
Одно из них, называемое магнитным удержанием, связано с созданием реактора, в котором в плазме, удерживаемой магнитным полем, постоянно выделяется энергия синтеза, как в непрерывно работающей топке. А второе направление — так называемое инерционное удержание, которое предполагает организацию повторяемых взрывов небольшой порции смеси дейтерия и трития и высвобождение энергии. И если вы делаете такие последовательные взрывы, то это подобно двигателю внутреннего сгорания.
Сегодня, спустя очень большое время, по мере развития работ по термоядерной энергетике абсолютное первенство принадлежит системам с магнитным удержанием. В первую очередь это токамаки, изобретенные в Курчатовском институте. Другие магнитные ловушки бесконечно отстали.
Системы с инерционным удержанием, может быть, в будущем найдут применение в энергетических реакторах. Но на основе сегодняшних знаний очевидно: энергия взрыва мишени настолько велика, что ее будет трудно удержать в камере разумных размеров. Кроме того, сами средства, способные инициировать этот взрыв, очень большие.
Это прежде всего лазеры, в которых мы преуспели. На них трудилась и трудится замечательная команда, созданная под руководством М. Пергамента и Н.
Другое направление в инерционном удержании — использование мощных электрофизических генераторов для инициации взрыва термоядерной мишени. Помимо исследований в интересах идеи импульсно-периодического термоядерного реактора, электрофизические установки могут создавать сверхмощные пучки заряженных частиц — электронов или ионов, токи с величиной в десятки мегаампер. С их помощью изучают физику высоких плотностей энергии.
Например, с помощью такого устройства, как «Ангара-5-1», вы можете сжимать вещество до очень больших давлений и температур. И здесь возникают новые процессы физики, которые очень важны для понимания многих явлений в природе. Например, они имеют отношение к астрофизике, к созданию новых веществ.
Другая сторона этих импульсных систем — многочисленные возможности применения в плазменных технологиях, в частности в медицине.
После ходатайств ряда учёных в декабре 1940 года был освобождён и вернулся в Англию. В 1940 году Фукса включили в группу Рудольфа Пайерлса, работавшую в Бирмингемском университете над уточнением критической массы урана и проблемой разделения изотопов в рамках британского ядерного проекта. В 1942 году Клаус получил британское гражданство. Тогда же ему было поручено наблюдение за работами по германскому атомному проекту, для чего он получил доступ к совершенно секретным материалам «Интеллидженс сервис». После нападения Германии на СССР Фукс разделял взгляды о необходимости более активного участия Великобритании в войне, а также о необходимости более широкой помощи воюющему Советскому Союзу. В ноябре 1941 года Фукс посетил советское посольство в Лондоне и предложил предоставить СССР известную ему информацию о работах по созданию ядерного оружия в Великобритании. Его предложение приняли, связь с Фуксом установили через Урсулу Кучинскую. Урсула была профессиональной связисткой высочайшего уровня. Родилась в Германии в 1907 году.
В 1930 году в Шанхае была завербована Рихардом Зорге. Он же присвоил Урсуле псевдоним «Соня», который и использовался в 1940-х годах. С ноября 1941 года «Соня» работала только на Клауса Фукса, все остальные задачи с неё были сняты. Поначалу Фукса курировал секретарь советского военного атташе С. Фукс работал исключительно из идейных соображений, на предложение о получении денег от СССР ответил категорическим отказом и попросил более никогда с ним на эту тему не разговаривать. В декабре 1943 года, по рекомендации Пайерлса и Роберта Оппенгеймера, Фукс с группой других учёных был включён в состав участников американского «Манхэттенского проекта» и прибыл в США. Там в феврале 1944 года с Фуксом была установлена новая связь через связника Гарри Голда, коммуниста из семьи украинских евреев, которому Клаус передавал важную информацию, касающуюся своей части исследовательской работы по «Манхэттенскому проекту». Однако во второй половине 1944 года связь оказалась прервана: Фукс был переведён в Лос-Аламосскую лабораторию со строжайшими мерами секретности.
Они увеличились мощность лазеров примерно на восемь процентов, а также изготовили мишень с меньшим количеством дефектов и отрегулировали способ подачи энергии, чтобы взрыв внутрь был более сферическим. До коммерческого получения термоядерной энергии еще далеко Пока что о коммерческом получении термоядерной энергии речь не идет. 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.
Напомним, тогда, затратив 2,05 МДж на питание лазеров, ученые получили 3,15 МДж энергии. Повторный эксперимент был нужен для того, чтобы подтвердить, что первоначальный успех не был случайностью и технология действительно позволяет генерировать больше энергии, чем затрачивается на запуск реакции. Термоядерный синтез — это процесс, при котором два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое, высвобождая большое количество энергии. В 1960-х годах группа ученых-первопроходцев из LLNL выдвинула гипотезу, что лазеры можно использовать для индукции термоядерного синтеза в лабораторных условиях.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире. Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии. Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+». Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём.
и
Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский. Кажется, физики только что переписали основополагающее правило для термоядерных реакторов, обещающих миру почти бесконечную энергию.