Специалисты Института ядерной физики СО РАН уверены, что для Сибири термоядерный взрыв будет иметь катастрофические последствия. Ещё с 1950-х годов прошлого века физики мечтали использовать термоядерный синтез для получения энергии, но прежде не получалось добыть больше энергии. Реакции термоядерного синтеза позволяют получать энергию без радиоактивных отходов и оставления углеродного следа. Специалисты Института ядерной физики СО РАН уверены, что для Сибири термоядерный взрыв будет иметь катастрофические последствия. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения.
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
| Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака | Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии. |
| Ракетчики начали строить термоядерный двигатель | Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов. |
Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
Концепция «потеющей стенки»: российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора 28 апреля 2023, 10:00 Надежда Алексеева, Екатерина Кийко Российские учёные смогли объединить свойства двух металлов — вольфрама и меди — в одной конструкции методом газофазного осаждения. Это позволит решить одну из серьёзных проблем термоядерного синтеза — защитить стенку термоядерного реактора от воздействия раскалённой до миллионов градусов плазмы, не допустив при этом попадания в неё ненужных примесей. По словам учёных, методика позволяет создавать покрытие из тугоплавкого вольфрама, лишённое пор. Оно наносится на медную подложку, которая позволяет отводить тепло от стенки реактора с участием лёгкого металла лития. Термоядерная установка «Глобус-М», сооружённая в Физико-техническом институте им. Изобретение уже получило патент.
Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание. На достижение этого потребовалось семь десятилетий. Теоретически внедрение термоядерных реакторов в широком коммерческом масштабе даст нам источник энергии, не загрязняющий окружающую среду, не сжигающий ископаемое топливо и не производящий радиоактивные отходы. Для поддержания термоядерной реакции 5 декабря 2022 года 192 гигантских лазера в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций National Ignition Facility, NIF разогрели цилиндрик размером с ластик, в котором в алмазной оболочке содержалось небольшое количество водорода.
Лоуренса, изучает возможность реализации инерциального управляемого термоядерного синтеза. Главная цель проекта — продемонстрировать, что с помощью мощных лазеров можно запускать управляемую термоядерную реакцию с хорошим энергетическим выходом. При соответствующем развитии технологий в будущем это сделает термоядерный синтез исключительно эффективным и экологически чистым источником энергии. Прежде чем описывать опубликованные NIF результаты, с этого сообщения нужно сдуть некий налет сенсационности.
На первый взгляд заголовки статей очень впечатляют: в NIF получен энергетический выход, превышающий поглощенную мишенью энергию. Эта фраза звучит словно объявление о том, что эффективный источник термоядерной энергии заработал и теперь дело переходит в индустриальную плоскость. Увы, всё обстоит совсем не так. Настоящий энергетический выход — то есть сколько получено термоядерной энергии по сравнению с полной затраченной энергией — остается очень низким, не более одного процента. Поэтому ни о каком полезном применении для энергетики ни сейчас, ни в обозримом будущем речи пока не идет. Исследования здесь находятся лишь в стадии доказательства принципиальной работоспособности технологии. Тем не менее полученный NIF результат пусть и не сенсационен, но тоже очень важен. Он на порядок лучше, чем всё то, что на NIF удавалось получить до сих пор, и к тому же заключает в себе первые серьезные намеки на принципиальную осуществимость проекта.
Управляемый термоядерный синтез Есть два основных типа ядерных реакций, которые идут с выделением энергии, — это расщепление тяжелых ядер например, урана или плутония и слияние легких ядер обычно дейтерия и трития — тяжелых изотопов водорода, рис. 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.
Фукса допрашивал лучший британский следователь из МИ-5 — Скардон, тот самый, который пытался расколоть и некоторых членов Кембриджской пятёрки. Но и он уже было решил отказаться от бесполезных допросов Клауса Фукса. И тут совершенно неожиданно Фукс сломался.
Читайте также 89 — много. А сколько регионов нужно России для счастливой жизни? Жители не всех «ликвидированных» территорий довольны произошедшей оптимизацией Когда в Лондоне официально заявили: «Ученый-атомщик Фукс передавал секретную информацию агентам советского правительства», официальный ТАСС 8 марта 1950 г. В тот же день он вернулся в Германию ГДР. Работал в Центральном институте ядерных исследований, где скоро стал заместителем директора. Также преподавал в Дрезденском техническом университете. Умер 28 января 1988 года в Дрездене. Как вспоминал многолетний куратор Фукса полковник советской разведки Александр Феклистов, он в 1964 году обратился в советское правительство с просьбой наградить немца. Тогдашний президент Академии Мстислав Келдыш заявил председателю КГБ: «Это делать нецелесообразно, так как бросит тень на советских учёных в создании ядерного оружия».
Да, помогал чем-то… Но в общем это не сыграло существенной роли». Феклистов с горечью пишет: «Когда Клаус Фукс умер в феврале 1988 года, то на печальной церемонии похорон не оказалось ни одного представителя нашей страны. Мало того, на подушечках, на которых покоились ордена ГДР, не было ни одной советской награды». Судьба человека.
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
Топливо — Дейтерий и Гелий-3. Оно самое перспективное с энергетической точки зрения. Оптимизировать конструкция камеры поможет искусственный интеллект и суперкомпьютеры американцев из Princeton Satellite Systems. Предполагалось, что её агрегат обеспечит скорость в 1,8 миллиона километров в час за счет создания в рабочей камере особых плазмоидов.
Эти сгустки, образованные замкнутым магнитным полем, вылетая наружу, и добавят скорости.
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.
Эта внутренняя часть разгоняется до высоких скоростей — и резко останавливается, когда схлопывающаяся ударная волна проходит через центр. Именно этот процесс сжатия и прохождения ударных волн сильно уплотняет центральную область и разогревает вещество до многих миллионов градусов. Интересно отметить, что похожие процессы, но при меньших масштабах температур и давлений, происходят и при ультразвуковой кавитации.
Принцип работы инерциального термоядерного синтеза с непрямым обжатием. Мощная лазерная вспышка попадает внутрь маленькой камеры, превращает ее в облачко плазмы высокой температуры. Эта плазма излучает тепловое рентгеновское излучение, которое уже и сжимает слоистую капсулу с топливом структура капсула показана в разрезе.
Схема из статьи G. Brumfiel, 2012. Laser fusion put on slow burn Для равномерного давления на капсулу в установке NIF используется не только большое число лазерных лучей 192 синхронизованных луча, которыми можно независимо управлять , но и так называемое непрямое обжатие капсулы рис.
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.
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.
Из чего состоит реактор ITER? Токамак — это тороидальная вакуумная камера с магнитными катушками и криостатом массой в 23 тыс. Как уже понятно из определения, у нас есть камера.
Глубокая вакуумная камера. В случае с ITER это будет 850 кубометров свободного объема камеры, в котором на старте будет всего 0,1 грамма смеси дейтерия и трития. Вакуумная камера, где и обитает плазма. Инжектор нейтрального луча и радиочастотный нагрев плазмы до 150 млн градусов.
Сверхпроводящие магниты, которые обуздают плазму. Бланкеты, защищающие камеру и магниты от бомбардировки нейтронами и нагрева. Дивертор, который отводит тепло и продукты термоядерной реакции. Инструменты диагностики для изучения физики плазмы.
Включают манометры и нейтронные камеры. Криостат — огромный термос с глубоким вакуумом, который защищает от нагрева магниты и вакуумную камеру А вот так выглядит «маленькая» вакуумная камера с моделями работников внутри. Она 11,4 метра в высоту, а вместе с бланкетами и дивертором будет весить 8,5 тыс. Внутри них циркулирует вода.
Вырывающиеся из плазмы свободные нейтроны попадают в эти бланкеты и тормозятся водой. Из-за чего она нагревается. Сами бланкеты защищают всю остальную махину от теплового, рентгеновского и уже упомянутого нейтронного излучения плазмы. Такая система необходима для того, чтобы продлить срок работы реактора.
Каждый бланкет весит порядка 4,5 тонны, их будет менять роботизированная рука примерно раз в 5—10 лет, так как этот первый ряд обороны будет подвержен испарению и нейтронному излучению. Но это далеко не все. К камере присоединяется внутрикамерное оборудование, термопары, акселерометры, уже упомянутые 440 блоков бланкетной системы, системы охлаждения, экранирующий блок, дивертор, магнитная система из 48 элементов, высокочастотные нагреватели плазмы, инжектор нейтральных атомов и т. И все это находится внутри огромного криостата высотой 30 метров, имеющего такой же диаметр и объем 16 тыс.
Криостат гарантирует глубокий вакуум и ультрахолодную температуру для камеры токамака и сверхпроводящих магнитов, которые охлаждаются жидким гелием до температуры —269 градусов по Цельсию. Одна третья часть основания криостата. Всего этот «термос» будет состоять из 54 элементов А так выглядит криостат на рендере. Его производство поручено Индии.
Внутри «термоса» соберут реактор Криостат уже собирают. Тут, например, вы можете видеть окошко, через которое в реактор будут забрасывать частицы для нагрева плазмы Производство всего этого оборудования разделено между странами-участницами. Например, над частью бланкетов работают в России, над корпусом криостата — в Индии, над сегментами вакуумной камеры — в Европе и Корее. Но это отнюдь не быстрый процесс.
К тому же права на ошибку у конструкторов нет.
Новый термоядерный рекорд: китайский токамак удерживал плазму 403 секунды
| Термоядерную установку, у которой нет аналогов в мире, запустили в Курчатовском институте | С середины прошлого века физики всего мира ищут возможность воспроизвести реакцию термоядерного синтеза, происходящую в центре звезд. |
| FT: американцы добились прироста чистой энергии в термоядерном синтезе и совершили прорыв | все новости, связанные с понятием "Термоядерный синтез ". Регулярное обновление новостного материала. |
| Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза | Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и. |
Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире.
Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
Еще одна проблема возникла при сварке секторов вакуумной камеры. При проектировании ИТЭРа первую стенку решили делать из бериллия. Сейчас российское термоядерное сообщество анализирует, насколько оправданна замена материала. К середине апреля мы выработаем позицию и представим ее на следующем совете ИТЭР. Смею вас заверить, дискуссии будут глубокими, фундаментальными и наше мнение будет учтено». Физпуск состоялся еще 18 мая 2021 года.
А вот с энергопуском возникли организационные проблемы.
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. Но, получив некоторые фундаментальные знания, можно создавать машины небольшого размера практического назначения на основе новых принципов и технологий.
Сейчас начинается новый цикл фундаментального исследования в области онкологии. Одновременно мы начинаем прорабатывать прототип медицинской установки, основанной на принципах так называемой флеш-терапии. В этой работе участвуют ведущие онкологи и биофизики страны.
Звучит как фантастика, но это новая реальность! Глеб Курскиев: — В детстве я мечтал стать мореплавателем или космонавтом, и еще — исследователем. И, в какой-то степени, мечту осуществил! Когда я был маленьким, главным примером для меня был мой дедушка, заведующий лабораторией в Ленинградском ЦКТИ. Когда мне еще не было 6 лет, он рассказывал мне все об устройстве окружающих вещей от двигателя внутреннего сгорания до ядерного реактора! К сожалению, деда рано не стало, и он многое не успел мне рассказать.
Осуществить управляемую реакцию деления в первом промышленном реакторе удалось в середине XX века. С тех пор силы физиков-ядерщиков направлены на создание устройства, которое позволило бы управлять и термоядерным синтезом. Для реакции управляемого синтеза нужны особые ядра водорода с дополнительными нейтронами, которые называются изотопами, — это дейтерий и тритий. Дейтерий стабилен, и его можно найти в морской воде. Тритий же — более редкий и радиоактивный изотоп, который выделяют на атомных реакторах при получении лития. Заменить тритий может стабильный изотоп гелий-3.
Добывать его так же трудно, но огромные залежи можно найти в грунте на поверхности Луны. Если технологии позволят недорого получать гелий-3 из лунной пыли, то этого будет достаточно для энергоснабжения всей планеты на тысячи лет. Останется лишь построить нужный реактор токамак. Реакция термоядерного синтеза слияния двух легких ядер в одно более тяжелое , в ходе которой высвобождается колоссальное количество энергии Почему сложно построить реактор для синтеза Атомы всех окружающих нас веществ состоят из ядра и электронной оболочки. Ядра заряжены положительно, поэтому, согласно закону Кулона, они отталкиваются. Чтобы соединиться, им нужно преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние действия ядерных сил — 10-15 метра один метр, деленный на единицу с пятнадцатью нулями.
Для этого необходима огромная энергия, которую можно получить в виде тепла. Солнечный климат для этого идеален, температура внутри звезды достигает экстремальных величин — 15 миллионов градусов. Вещество при такой температуре переходит в состояние плазмы, работать с которой в земных условиях не так-то просто. Плазма считается четвертым агрегатным состоянием вещества. Если нагреть твердое вещество, оно становится сначала жидким, затем газообразным и, наконец, — плазмой. При температуре в десятки тысяч градусов атомы газа теряют свои электроны и превращаются в ионы — свободные электрические заряды.
Такой газ называется ионизованным и является средой, проводящей электрический ток. В естественных условиях Земли плазма встречается в виде разрядов молний или в магнитосфере планеты при полярном сиянии. В космосе она буквально повсюду: материя в межгалактическом пространстве существует именно в плазменной форме. Солнце и звезды тоже являются сгустками сильно нагретой плазмы. Вещество в состоянии плазмы видел каждый, когда в небе сверкала молния , а вот удержать и сжать такое вещество — задачка не из легких, но ее необходимо решить для реализации управляемого термоядерного синтеза на Земле. Фото iStock Удержать плазму внутри построенных человеком установок тяжело — нагреваясь до миллионов градусов, она плавит даже самое прочное покрытие.
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. Американские ученые в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем затратили. Инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и. 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. Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы. Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times.
«Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза
Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Реакторы термоядерного синтеза имитируют ядерный процесс внутри Солнца, сталкивая более легкие атомы вместе и превращая их в более тяжелые. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции.
Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика
В магнитной ловушке, созданной под руководством академиков Андрея Сахарова и Игоря Тамма, горячая смесь дейтерия и трития удерживалась с помощью магнитного поля и не касалась стенок реактора. Эта экспериментальная установка c вакуумной камерой в форме бублика тора стала известна во всем мире под именем Токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. В ней впервые удалось достичь температуры термоядерной реакции в 100 миллионов градусов — почти в 10 раз больше, чем внутри Солнца! У любого термоядерного реактора типа токамака есть отверстие в центре.
Объясняется это теоремой о причесывании ежа, согласно которой невозможно причесать свернувшегося клубком ежика так, чтобы ни одна его иголка не торчала наружу. Если придать плазме форму шара, то ее магнитное поле всегда будет иметь минимум одну выпадающую точку. С тором такой проблемы не возникнет, его можно гладко «причесать» по всей поверхности, причем разными способами.
Так выглядит изнутри тороидальная камера токамак для осуществления реакции синтеза Прошло почти 70 лет, но токамак все еще остается самым перспективным типом термоядерных реакторов — практически у каждой развитой страны сегодня есть собственная тороидальная установка. Реакторы других форм создают для изучения свойств плазмы. Например, сферический токамак напоминает сплюснутый глобус и позволяет дольше удерживать плазму.
А в стеллараторе, прозванном «мятым бубликом», магнитные катушки находятся снаружи тора, за счет чего он может работать без перерывов, в отличие от классического токамака. Существуют и альтернативные виды реакторов, например установки на инерциальном удержании. На тритий-дейтериевую мишень размером с булавочную головку направляют больше сотни сверхмощных лазеров.
Они нагревают мишень до сотен миллионов градусов и сжимают в тысячи раз, запуская термоядерную реакцию. Такую энергию, полученную лазерным синтезом, можно контролировать и использовать. Однако подобные реакторы работают в импульсном непостоянном режиме, поэтому вещество быстро разлетается и долго удерживать плазму не удается.
Отдельная задача в том, чтобы сжать вещество абсолютно симметрично со всех сторон. Наконец, даже если в реакторе удастся обеспечить нужную форму и плотность плазмы, потери энергии на это должны быть минимальны, чтобы термоядерная реакция была экономически выгодной. Это критерий Лоусона, который стал одной из главных целей управляемого термоядерного синтеза.
Именно на выполнение этого условия нацелены современные экспериментальные мега-проекты термоядерного синтеза. Один реактор на 35 стран В 2010 году на юге Франции развернулась стройка исполинских масштабов. Здесь на базе исследовательского центра ядерной энергетики «Кадараш» создают международный термоядерный реактор — ITER от латинского «путь».
Стоимость токамака ИТЭР оценивается в 20 миллиардов евро. Ни одно государство не может позволить себе запустить подобный проект самостоятельно, поэтому страны объединяют свои силы.
В этих условиях атомы водорода подверглись слиянию, выделяя 1,3 мегаджоулей энергии за 100 триллионных долей секунды, что составляет 10 квадриллионов ватт мощности. Интенсивная среда, создаваемая направленными внутрь ударными волнами, создала самоподдерживающуюся реакцию ядерного синтеза.
Однако за год ученые так и не смогли повторить эксперимент. В четырех аналогичных опытах удалось получить только примерно половину от энергии, полученной в первоначальном успешном эксперименте.
При этом недооцениваются важнейший, как сегодня представляется, фактор технологического развития, необходимого для реализации термоядерных технологий, и существующие уже сейчас возможности их практического использования, а физические и технологические трудности, стоящие на пути реализации УТС, гиперболизируются. Этим и некоторым другим вопросам термоядерных исследований и посвящена настоящая статья. Предметом обсуждения будут исследования с использованием установок типа токамак — замкнутых систем магнитного удержания высокотемпературной плазмы, являющихся с 1970-х годов наиболее продвинутыми и эффективными. Наличие ряда предшествующих обзоров [ 2 — 4 ], описывающих состояние и перспективы УТС, оправдывает краткость изложения позиции авторов в настоящей статье.
МЫ БЫЛИ ПЕРВЫМИ В условиях ограниченности ресурсов, выделяемых на научно-технологическое развитие, для крупных корпораций или целых стран неизбежна постановка вопроса о выборе приоритетов, решаемого зачастую волевым образом или посредством лоббирования. Более подробно позиция авторов о роли и месте прикладной науки изложена в статье [ 5 ]; здесь же отметим, что термоядерные исследования в России с использованием токамаков вполне соответствуют вышеуказанным критериям. Не углубляясь в историю отечественных термоядерных исследований, неоднократно описанную с разной степенью детализации см. К этим экспериментально проверенным достижениям, впоследствии взятым на вооружение во всём мире, следует добавить широко признанные теоретические разработки, лёгшие в основу современной теоретической физики высокотемпературной плазмы. Прогресс, достигнутый в результате многолетних исследований на токамаках, не следует недооценивать. Достижение всех необходимых для реализации УТС значений параметров 2 сегодня продемонстрировано экспериментально, но, к сожалению, в разных экспериментах табл.
Полученные значения тройного произведения более чем в 1000 раз превышают данные середины 70-х годов прошлого века, когда стартовали первые крупные токамаки с дополнительным нагревом плазмы 3 3. И то, и другое сопряжено с существенным удорожанием установки. Именно на реализацию проекта ИТЭР в последнее десятилетие были направлены основные усилия мирового термоядерного сообщества. При этом большинство участников вполне плодотворно использовали добытые общими усилиями при проектировании ИТЭРа знания и технические решения в своих национальных программах. И наоборот, данные, получаемые в ходе исследований, выполняемых национальными командами, анализируются и учитываются в проекте ИТЭР. Отметим, что планируемые режимы работы ИТЭРа основаны на довольно консервативных представлениях и достаточно обоснованы предшествующими экспериментами [ 9 ].
Вместе с тем ИТЭР — это качественный скачок в токамакостроении. Для примера: объём плазмы ИТЭРа равен 840 м3, что более чем в 10 раз превосходит объём плазмы самого крупного из действующих токамаков — токамака JET. Строительство и запуск ИТЭРа призваны продемонстрировать работоспособность идеологии, позволяющей создать на базе токамака термоядерный энергетический реактор. Основной задачей экспериментов на ИТЭРе будут отработка и испытание важнейших технологий и компонентов реактора. Принципиально важной станет проверка концепции использования вольфрама в качестве материала для диверторных пластин — как самого тугоплавкого металла — в условиях ожидаемых на ИТЭРе огромных потоков энергии. 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.
Например, изотоп водорода дейтерий легко получается из обычной воды, да и требуется его немного. К тому же термоядерный синтез лишен всех недостатков классической атомной энергетики. Так, первое теоретическое обоснование в своих работах дал Лаврентьев 1950 , чуть позже с аналогичными трудами выступил Спицер из США 1951. Первый токамак , ТМП, был сконструирован в 1958 году в Курчатовском институте. По расчетам, его мощность будет в 30 раз выше аналогичного показателя у JET. ИТЭР был согласован в 1992 году, строительство началось в 2010-ом. Экспериментальный реактор выполнен, как и JET, по типу «токамак».
То есть внутри раскаленная плазма удерживается на расстоянии от стенок установки мощнейшей магнитной системой. Кстати, сам термин «токамак» — это акроним от советских ученых, обозначающий «тороидальную камеру с магнитными катушками». Первоначальная дата завершения строительства — 2016 год. Но запуск многократно переносился. Рассмотрим даты согласования, новые даты завершения строительства и причины переноса сроков: 2009 - 2018 — финансовые трудности у европейских участников проекта, 2010 - 2019 — предельно негативный отчет об управленческой структуре проекта, 2015 - 2025 — очередные финансовые трудности и привлечение новых стран для участия, 2022 - неизвестно — скорость монтажа оказалась медленнее , чем то, что раньше планировали на бумаге, Купить рекламу Отключить За годы строительства смета выросла с 5 до 20 млрд евро, новый срок запуска пока не называется.
Американские физики повторно добились термоядерного зажигания
Схема из статьи G. Brumfiel, 2012. Laser fusion put on slow burn Для равномерного давления на капсулу в установке NIF используется не только большое число лазерных лучей 192 синхронизованных луча, которыми можно независимо управлять , но и так называемое непрямое обжатие капсулы рис. 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.
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. Там он работал в группе Ганса Бете и добился выдающихся научных результатов. Восстановить связь советской разведке удалось только в январе 1945 года, до конца года состоялись три встречи, на которых Фукс передал исключительно важную информацию как о ходе работ, так и о первом испытании атомной бомбы, в котором он лично участвовал. Читайте также В Суоми решили исключить из истории Ленина, чтобы снова стать чьим-то областным центром? Финляндия тонко намекает, что может вновь стать частью Российской Империи В 1945—1946 годах Фукс участвовал в теоретических работах по разработке водородной бомбы, в анализе результатов применения атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки, в разработке программы исследований со взрывами атомных бомб на атолле Бикини.
В июле 1946 года с другими британскими участниками проекта вернулся в Великобританию, где стал начальником отдела теоретической физики Научно-исследовательского атомного центра в Харуэлле. С 1947 года связь с Фуксом вёл заместитель резидента по технической разведке А.
В свою очередь в Германии было объявлено о собственном прорывном достижении в области термоядерного синтеза.
Учёные из Института физики плазмы имени Макса Планка IPP нашли способ значительно уменьшить расстояние между горячей плазмой в устройствах ядерного синтеза и стенкой корпуса. Если ранее считалось, что расстояние между краем термоядерной плазмы и дивертором особенно термостойким элементом внутренней стенки корпуса должно составлять не менее 25 сантиметров, то в экспериментах на ASDEX Upgrade удалось сократить это расстояние до менее чем 5 сантиметров без повреждения стенки.
Применять диверторы на стеллараторах и токамаках начали в 1951 году по предложению Лаймана Спитцера. По форме магнитного поля диверторы относятся к одному из трех типов: полоидальному, тороидальному и бандл-типу. Принцип действия всех типов диверторов одинаков. В токамаке ITER используется дивертор полоидального типа.
На «горячей стенке» всегда присутствуют загрязнения, которые прилипают к ней в результате адсорбции. При нагреве эти загрязнения испаряются и попадают в плазму. Там они ионизируются и начинают интенсивно излучать. Возникают дополнительные радиационные потери эти потери пропорциональны второй степени эффективного заряда плазмы. Тем самым плазменный шнур охлаждается, а горячая стенка перегревается. Дивертор непрерывно «обдирает» с плазменного шнура внешний слой где концентрация примесей наиболее высока.
Для этого, с помощью небольшого магнитного поля, внешние слои шнура направляются на интенсивно охлаждаемую водой мишень. Здесь плазма охлаждается, нейтрализуется, превращается в газ, а затем откачивается из камеры. Таким образом, примеси не проникают в сердцевину шнура. Кроме того, в токамаке ITER дивертор служит для осаждения и удержания бериллиевой пыли, образующейся при испарении «горячей стенки» бланкета. Поэтому его на сайте ITER ещё шутливо называют «ashtray» пепельница. Если не удалять пыль из зоны горения, она попадёт в плазменный шнур, разогреется, и тоже начнёт излучать.
Это вызовет в свою очередь, перегрев горячей стенки, её повышенный износ испарение и радиационное распыление и образование новых порций пыли. Дивертор ITER состоит из пяти мишеней с щелями между ними. Металлическая пыль скатывается с пологих поверхностей мишеней и попадает в щели. Оттуда ей очень трудно вновь попасть в плазменный шнур. Дивертор выполнен из 54 кассет [25] , общим весом 700 т. Корпус кассеты — высокопрочная нержавеющая сталь.
По мере износа кассеты будут демонтироваться, и на их место устанавливаться другие. Мало какой материал способен длительно срок службы токамака 20 лет выдерживать такой нагрев. На начальных стадиях проектирования токамака планировалось выполнить мишени из углеродного композита, армированного углеродным волокном англ. Система охлаждения дивертора будет работать в околокипящем режиме. Суть этого режима такова: теплоноситель дистиллированная вода начинает закипать, но ещё не кипит. Микроскопические пузырьки пара способствуют интенсивной конвекции, поэтому этот режим позволяет отводить от нагретых деталей наибольшее количество тепла.
Однако есть и опасность — если теплоноситель всё-таки закипит, пузырьки пара увеличатся в размерах, резко снизив теплоотвод.