«Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов.
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
Европейский токамак обновил рекорд по количеству полученной в ходе термоядерной реакции энергии. — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. Термоядерный синтез представляет собой процесс, во время которого два лёгких атомных ядра объединяются в одно более тяжёлое с высвобождением большого количества энергии. Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. Американские физики утроили энергетическую эффективность экспериментального термоядерного реактора NIF.
Ливерморская национальная лаборатория обошла ITER
- Регистрация
- Новый термоядерный рекорд: китайский токамак удерживал плазму 403 секунды - Телеканал "Наука"
- Что еще почитать
- Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
- Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза / / Независимая газета
- Инновации и наука
Термоядерный синтез
| Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика | Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём. |
| Прототип российского термоядерного реактора: для чего он необходим? | Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора. |
| Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен? | Специалисты Института ядерной физики СО РАН уверены, что для Сибири термоядерный взрыв будет иметь катастрофические последствия. |
| Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова | Пара слов о физике плазмы: на волне Волна боянов, Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост. |
«Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза
Работа физиков из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии была опубликована в журнале Physical Review Letters. Термоядерная реакция позволяет звездам генерировать огромные объемы энергии, однако на Земле ее крайне трудно воспроизвести, так как для поддержания такой реакции требуется чрезвычайно высокоэнергетическая среда. Для этого ученым необходимо обеспечить стабильное "зажигание", которое выводит реакцию на самоподдерживающийся уровень. Физики потратили более десяти лет на создание технологии воспламенения термоядерной реакции, и в августе 2021 года они смогли успешно провести эксперимент.
Последнее было важно, так как планировалась транспортировка громоздких деталей, вес которых мог достигать 100 т и более. Наконец, уже в середине первого десятилетия нового века, началось строительство токамака ИТЭР. Арцимович, внесший огромный вклад в реализацию советской программы по управляемому термоядерному синтезу, говорил, что термоядерная энергия будет освоена тогда, когда она действительно понадобится человечеству. Состоятельной и обоснованной критики проекта ИТЭР и термоядерной энергетики в целом на сегодня нет. В сборнике, недавно изданном нашим центром, представлено свыше трех десятков подобных новых технологий, которые уже активно внедряют в своих лабораториях и на производствах российские организации, участвующие в реализации проекта. Но хотя проект ИТЭР сегодня является технологической платформой термоядерной энергетики, для создания самого термоядерного реактора необходимо развить еще ряд технологий, выходящих за рамки проекта.
Например, нужно решить проблемы с генерацией стационарного неиндуктивного тока, созданием электромагнитной системы из высокотемпературного сверхпроводника и т. Эксперименты, которые в дальнейшем будут проводиться на ИТЭР, дополнят этот перечень. В программах термоядерных исследований всех технологически развитых стран в качестве горючего сегодня рассматривается дейтерий-тритиевая смесь. Планируется, что полномасштабная реализация процессов горения термоядерной плазмы в ИТЭР будет достигнута во второй половине 2030-х гг. Но потребуется еще около 15 лет, чтобы построить термоядерный реактор ДЕМО , где будет генерироваться электрическая и тепловая энергия» Институт ядерной физики им. Порт-плаг одновременно служит и «окном» в горячую область, так как является носителем многочисленных диагностических устройств, и «пробкой» на пути потока нейтронов, генерируемых в плазме. В защитных модулях порт-плагов разместят диагностические системы, поставляющие информацию о состоянии вещества на центральный пульт. В 2019 г. Интеграционная площадка для сборки порт-плагов уже готовится.
Это будет «чистое» помещение, где содержание пыли, микроорганизмов, аэрозольных частиц и химических паров будет постоянно контролироваться и поддерживаться на определенном уровне. Поэтому все работы должны быть закончены уже к 2023 г. И сейчас у института горячее время, а через год станет еще горячее. К примеру, итоговый вариант экваториального порт-плага, за производство которого взялся ИЯФ, разительно отличался от первоначального. Уже в процессе работы стало очевидно, что придется искать новые материалы и технологии. Так, для работы над проектом в институте освоили технологию глубокого сверления. В классическом варианте вращается деталь, а сверло неподвижно.
Первый из 18 гигантских магнитов. Одну половину сделали в Японии, другую — в Корее 18 гигантских магнитов D-образной формы, расставленные по кругу так, чтобы образовать непроницаемую магнитную стену. Внутри каждого из них заключены 134 витка сверхпроводящего кабеля Каждая такая катушка весит примерно 310 тонн Но одно дело собрать. И совсем другое — все это обслуживать. Из-за высокого уровня радиации доступ к реактору заказан. Для его обслуживания разработано целое семейство роботизированных систем. Часть будет менять бланкеты и кассеты дивертора весом под 10 тонн , часть — управляться удаленно для устранения аварий, часть — базироваться в карманах вакуумной камеры с HD-камерами и лазерными сканерами для быстрой инспекции. И все это необходимо делать в вакууме, в узком пространстве, с высокой точностью и в четком взаимодействии со всеми системами. Задачка посложнее ремонта МКС. Причем это только часть оборудования самого реактора. Добавьте сюда здание криокомбината, где будут вырабатывать жидкий азот и гелий, здание выпрямителей магнитной системы с трансформаторами, трубопроводы системы охлаждения диаметром по 2 метра , систему сброса тепла с 10 вентиляторными градирнями и многое-многое другое. На все это и идут миллиарды. Токамак ITER станет первым термоядерным реактором, который будет вырабатывать больше энергии, чем необходимо для нагрева самой плазмы. К тому же он сможет поддерживать ее в стабильном состоянии намного дольше ныне существующих установок. Ученые утверждают, что именно для этого и нужен столь масштабный проект. С помощью такого реактора специалисты собираются преодолеть разрыв между нынешними небольшими экспериментальными установками и термоядерными электростанциями будущего. Например, рекорд по термоядерной мощности был установлен в 1997 году на токамаке в Британии — 16 МВт при затраченных 24 МВт, тогда как ITER конструировали с прицелом на 500 МВт термоядерной мощности от 50 МВт вводимой тепловой энергии. На токамаке будут испытаны технологии нагрева, контроля, диагностики, криогеники и дистанционного обслуживания, то есть все методики, необходимые для промышленного образца термоядерного реактора. Объемов мирового производства трития будет недостаточно для электростанций будущего. А потому на ITER отработают также технологию размножающегося бланкета, содержащего литий. Из него под действием термоядерных нейтронов и будут синтезировать тритий. Однако не стоит забывать, что это пускай и дорогой, но эксперимент. Токамак не будет оборудован турбинами или другими системами конвертации тепла в электричество. То есть коммерческого выхлопа в виде непосредственной генерации энергии не будет. Потому что это только усложнило бы проект с инженерной точки зрения и сделало бы его еще более дорогим. Схема финансирования довольно запутанная. Большинство компонентов поставляются в ITER напрямую от стран-участниц. Они прибывают во Францию по морю, а из порта к стройплощадке доставляются по дороге, специально переделанной французским правительством. Трасса была расширена и усилена. Дело в том, что до 2021 года по ней пройдут 250 конвоев с огромными грузами. Самые тяжелые детали достигают 900 тонн, самые высокие — 10 метров, самые длинные — 33 метра. Пока ITER не ввели в эксплуатацию.
За одну реакцию термоядерного синтеза длительностью 5 секунд было получено 69 МДж энергии. Этого достаточно, чтобы на несколько минут обеспечить питанием обычный дом или вскипятить чайник примерно 70 раз. По данным Space. Это крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор.
Повторение эксперимента на более крупном реакторе
- Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
- Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
- Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора
- Физика плазмы и инерциальный термоядерный синтез
- Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора
- Главная тема
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание. Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить.
Ливерморская национальная лаборатория обошла ITER
- Выбор сделан - токамак плюс
- Комментарии
- Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
- Мирный термояд – почти реальность
- Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
Однако термоядерная реакция в ITER будет происходить в любом случае, и будет происходить усиление мощности — то есть, на один вложенный ватт за счет термоядерной реакции будет получено 10 ватт. Зачем нужен термояд? Прежде всего для мировой промышленности. Дело в том, что уже в ближайшее время, где-то к 2050-му г. Потому что чем выше уровень цивилизации, тем больше энергии она требует. И, несмотря на то, что пока еще сохраняются ресурсы нефти, угля, газа, дефицит энергии никак не покроешь за их счет. Единственный выход — это термоядерная энергетика. Вот над этим и работают исследователи, особенно в Европе, и лидеры там — немцы. Это уникальная нация, и они это сделают — создадут термоядерную энергетику. А мы, если всерьез не возьмемся за разработки в этой области, окажемся на задворках истории в решении столь серьезной проблемы.
Известны две дорожные карты. Одна — с очень дорогими термоядерными электростанциями, огромными по размеру, до 9 метров большого радиуса тора токамака-реактора. Вторая — с дешевыми, всего 6 американских центов за 1 квт-час электроэнергии, и 1,6-2,0 метров большого радиуса, и это можно сделать на сферических токамаках, на одном из которых мы и работаем, разрабатывая для него системы управления плазмой. Но можно говорить об их разнообразии? Да, существуют различные сферические токамаки. Они сферические в том плане, что у них аспектное отношение, то есть отношение большого радиуса токамака к малому, составляет, примерно, 1,5, а все другие, конвенциальные, имеют аспектное отношение, приблизительно, 3-4 и выше, и это, в отличие от сферических, не может дать дешевую электроэнергию. Можно строить небольшие установки модульного типа, а потом их наращивать, допустим, вместо одного модуля сделать 10. Модуль — это небольшая часть всей термоядерной установки, это одна независимая небольшая термоядерная электростанция. Это приведет к снижению цены за электроэнергию по современным представлениям.
Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука — это физика высокотемпературной плазмы. Большая, серьезная наука, не все могут ее понимать и осваивать. Тем более, что теория не всегда совпадает с экспериментом, и адекватное понимание эксперимента очень часто основывается на так называемых скейлингах, то есть экспериментальных формулах. В мире сейчас около 40 действующих установок типа токамак, три работающие установки находятся в России. Они никакой термоядерной энергии не производят, они экспериментальные, на них исследуют плазму, материалы, системы управления плазмой и т. На некоторых установках делали эксперименты с тритием. На них было показано, что термоядерная реакция в принципе возможна, но коэффициент усиления был не больше единицы. Тем не менее, она возможна, потому что возникают нейтроны именно термоядерного происхождения, которые улавливались внешней оболочкой. Здесь сомнений нет.
Вопрос только технологический — можно ли построить термоядерную электростанцию, так, чтобы она действительно давала термоядерную электроэнергию, и чтобы там реально функционировали все системы, которые туда входят. Это сильная альтернатива. У атомных станций два серьезных недостатка. Первое: они производят отходы, у которых период полураспада сотни и тысячи лет, их нужно где-то хранить, и их много, они накапливаются. Второй недостаток — они могут взрываться. Взрывы были сначала в Чернобыле, и затем на Фукусиме. В токамаках принципиально невозможен взрыв. Очень просто. Когда работает токамак, в его камеру постоянно поступает газообразное топливо, например, смесь трития и дейтерия.
Система состоит из мощного радиочастотного генератора на тетродах будет установлен в Здании радиочастотного нагрева плазмы , системы волноводов для передачи энергии и излучающих антенн [29] , расположенных внутри вакуумной камеры. Инжектор нейтральных атомов[ править править код ] Инжектор «выстреливает» в плазменный шнур мощный пучок из атомов дейтерия, разогнанных до энергии 1 МэВ. Эти атомы, сталкиваясь с частицами плазмы, передают им свою кинетическую энергию и тем самым нагревают плазму. Поскольку разогнать в электрическом поле нейтральный атом невозможно, его нужно сперва ионизировать. Затем ион по сути, ядро дейтерия разгоняется в циклотроне до необходимой энергии. Теперь быстродвижущийся ион следует снова превратить в нейтральный атом. Если этого не сделать, ион будет отклонён магнитным полем токамака. Поэтому к разогнанному иону следует присоединить электрон. Для деионизации ион проходит через ячейки, наполненные газом. Здесь ион, захватывая электрон у молекул газа, рекомбинирует.
Не успевшие рекомбинировать ядра дейтерия отклоняются магнитным полем на специальную мишень, где тормозятся, рекомбинируют и могут быть использованы вновь. Требования к мощности «фабрики атомов» ITER настолько велики, что на этой машине впервые пришлось применить систему, которой не было на предшествующих токамаках. Это система отрицательных ионов. На таких высоких скоростях положительный ион просто не успевает превратиться в нейтральный атом в газовых ячейках. Поэтому используются отрицательные ионы, которые захватывают электроны в специальном радиочастотном разряде в среде плазмы дейтерия, экстрагируются и разгоняются высоким положительным потенциалом 1 МВ по отношению к источнику ионов , затем нейтрализуются в газовой ячейке. Оставшиеся заряженными ионы отклоняются электростатическим полем в специальную охлаждаемую водой мишень. При потреблении примерно 55 МВт электроэнергии, каждый из двух планируемых на ITER инжекторов нейтральных атомов способен вводить в плазму до 16 МВт тепловой энергии. Криостат[ править править код ] Криостат [30] [31] — самый большой компонент токамака. Внутри криостата будут располагаться остальные элементы машины. Криостат, помимо механических функций опора деталей токамака и их защита от повреждений будет выполнять роль вакуумного «термоса», являясь барьером между внешней средой и внутренней полостью.
Для этого на внутренних стенках криостата размещены тепловые экраны, охлаждаемые азотным контуром 80 К. Криостат имеет множество отверстий для доступа к вакуумной камере, трубопроводов системы охлаждения, фидеров питания магнитных систем, диагностики, дистанционного манипулятора, систем нагрева плазмы и других. Доставить сборку таких размеров целиком тяжело и дорого, поэтому было принято решение конструктивно разбить криостат на четыре крупных фрагмента поддон, две цилиндрические обечайки и крышка. Каждый из этих фрагментов будет собираться из более мелких сегментов. Всего сегментов 54. Их производством занята Индия. Затем фрагменты, после сборки в Здании криостата, по очереди будут перемещены и установлены на место — в шахту реактора [33]. Для снижения влияния нейтронного излучения токамака на окружающую среду криостат будет окружён «одеялом» из специального бетона, которое называют «биозащита» англ. Толщина биозащиты над криостатом составит 2 м.
Ожидается, что их коллективный световой удар позволит зажечь в микрокапсуле с дейтериево-тритиевым топливом управляемую термоядерную реакцию. Фото с сайта lasers. В двух сеансах работы, проведенных в конце 2013 года, энергетический выход термоядерной реакции в микрокапсуле с дейтериево-тритиевым топливом оказался больше, чем подведенная к топливу энергия. В тех же экспериментах был впервые зарегистрирован сильный самостоятельный разогрев топлива за счет альфа-частиц. Главная цель NIF — зажигание полноценной самоподдерживающейся термоядерной реакции — пока не достигнута, но полученные результаты вновь позволяют NIF с оптимизмом смотреть в будущее. В начале февраля в журналах Nature и Physical Review Letters вышло сразу три статьи, посвященные недавним результатам американской «Национальной поджигательной установки» National Ignition Facility , NIF. Этот исследовательский комплекс, запущенный в 2009 году в Ливерморской национальной лаборатории им. 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.
Том Уилсон Tom Wilson Ученые американского правительства совершили прорыв в поисках безграничной энергии с нулевым выбросом углерода, впервые в истории добившись выработки в реакции термоядерного синтеза, сообщают трое людей, осведомленных с предварительными результатами недавнего эксперимента. Начиная с 1950-х годов физики пытаются использовать питающую Солнце реакцию синтеза, но ни один ученый коллектив так и не смог произвести в результате реакции энергии больше затраченной. Эта веха под названием чистый прирост возвестила бы о надежной и доступной альтернативе ископаемому топливу и традиционной ядерной энергетике. Федеральная Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса в Калифорнии использует так называемый термоядерный синтез с инерционным удержанием — при этом крошечная частичка водородной плазмы бомбардируется крупнейшим в мире лазером. В ходе эксперимента за последние две недели удалось добиться чистого прироста энергии. Даже при том, что многие ученые считают, что создание термоядерных электростанций станет возможным лишь спустя десятилетия, потенциал этой технологии трудно переоценить. Реакции термоядерного синтеза не выделяют ни углерода, ни радиоактивных отходов с долгим периодом полураспада, а небольшая чашка водородного топлива теоретически может питать дом в течение сотен лет. Американский прорыв свершился в момент, когда мир столкнулся с высокими ценами на энергию и необходимостью скорейшего отказа от ископаемого топлива, чтобы не допустить опасного скачка средних мировых температур. В соответствии с Законом о снижении инфляции администрация Байдена вложит в новые субсидии на низкоуглеродную энергетику почти 370 миллиардов долларов — это поможет сократить выбросы и выиграть глобальную гонку за чистые технологии следующего поколения.
Выбор сделан - токамак плюс
Термоядерный синтез представляет собой процесс, во время которого два лёгких атомных ядра объединяются в одно более тяжёлое с высвобождением большого количества энергии. Европейский токамак обновил рекорд по количеству полученной в ходе термоядерной реакции энергии. Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. 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. Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития.