Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание. Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен!
Каждая деталь – шаг в неизведанное
- Статьи по теме «термоядерный синтез» — Naked Science
- Как работает изобретенный китайцами токамак и зачем он нужен | 360°
- Ученые в США провели третий успешный эксперимент с ядерным синтезом
- Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора
Ученые в США провели третий успешный эксперимент с ядерным синтезом
Появляется уникальная инфраструктура для научных исследований, для того, чтобы, как говорят ученые, управляемый термоядерный синтез все-таки создал неиссякаемый источник энергии», — сказал премьер Михаил Мишустин. На этой установке российские ученые будут проводить исследования, без которых невозможен запуск международного проекта ИТЭР. Самый большой в мире экспериментальный термоядерный реактор сейчас строится на юге Франции. На связь оттуда вышел генеральный директор проекта. На совещании глава правительства обсудил с российскими учеными федеральную программу развития синхротронных и нейтронных исследований. До 2027 года на нее предусмотрено выделить 138 миллиардов рублей. В рамках программы Курчатовский институт создает по стране целую сеть мегаустановок нового уровня. Россия была абсолютно самодостаточна.
Мы производили все сами, все компоненты от начала до конца. И сейчас у нас это есть, но это требуется перевести на современный уровень», — отметил президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук.
В термоядерном синтезе используется обратный принцип: вместо расщепления тяжелых элементов соединяются синтезируются легкие — водород и гелий. Точно такие же процессы протекают в центре звезд. Синтез сопровождается выделением огромного количества энергии, но чтобы он осуществился, требуются уникальные условия. Почему же ученые так упорно ищут подходы к УТС, когда у них уже есть атомная энергетика? Потому что у термоядерного синтеза есть главное неоспоримое преимущество — близкая к идеалу теоретическая энергоэффективность. Ключевая сложность — условия , которые требуется создать, чтобы атомы водорода соединились друг с другом. В ядре Солнца они подвергаются колоссальному давлению вкупе с огромной температурой.
Создать такую гравитацию в лабораторных условиях невозможно, поэтому приходится разогревать среду еще сильнее. Так, если в центре нашего светила температура составляет около 15 млн градусов Цельсия, то в термоядерном реакторе — около 150 млн. Разумеется, никакое вещество не способно выдержать подобного жара, поэтому основная задача, над которой сегодня бьются ученые — удержание плазмы как можно дальше от стенок реактора, чтобы они не расплавились. Насколько это опасно Эксперты Курчатовского института замечают , что термоядерный синтез не является цепной реакцией. То есть при нарушениях в работе установки процесс попросту остановится.
Ничего такого страшного. Ни ядерной зимы, которую все боятся. Ни чудовищной радиации, которая убьет всех вокруг, а кого не убьет, то те умрут в течение десяти лет от онкологии.
Этого ничего не будет. А что будет — так это будет выведена из строя вся радиоэлектроника. Вся цифра, все спутники». Вот эта камера, на которую меня сейчас снимают, вот этот телефон, который рядом со мной лежит. Мы вернемся с вами в год этак какой-нибудь 93-й. Проводные телефоны. Двушечка или не двушечка, я не помню, в телефоне-автомате. Я вам скажу: чудесно же жили.
Вот право. Я даже обрадуюсь. Как минимум мне не придется объяснять своим детям, почему у всех есть гаджеты, а у них нет. Я запрещаю своим детям иметь гаджеты. Это отдельная тема. Сейчас не об этом. Но как минимум вот это будет гора с плеч. Каждый раз, когда дети возвращаются из школы: «Вот, у всех есть телефоны, айпады, а у нас нет, почему у нас нет?
То есть эта опция, она остается. И это еще самая гуманная, самая такая, знаете, травоядная опция. Я не вижу никакого исхода, кроме приблизительно такого.
Другое важное условие использования плазмы — сжатие. Если не сжимать разогретую плазму со всех сторон равномерно, она выскользнет, остынет, и реакции в ней прекратятся. Плазма подобна надутому воздушному шарику — как бы равномерно вы ни надавливали на него, шар всегда будет просачиваться через пространство между пальцами. Солнечная плазма не разлетается по всему космосу из-за огромной массы звезды — ее гравитационное давление постоянно сжимает ядра атомов вместе.
Масса Земли в 330 тысяч раз меньше, поэтому создать подобное давление на нашей планете невероятно трудно. Каждый раз, когда ученые пытались сжать плазму в реакторе, она выплескивалась наружу. Как причесать ежа, или попытки удержать плазму К решению задачи удержания плазмы вплотную подошли советские ученые Института им. Курчатова в 1950-х. 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.
Термоядерный синтез
На Солнце этот процесс приводится в действие силой гравитации. Одно из построенных решений представлено ИТЭР, ранее известным как Международный термоядерный экспериментальный реактор, который строится с 2010 года в Карадаше, Франция. Первые эксперименты, первоначально запланированные на 2018 год, были перенесены на 2025 год.
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. 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.
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.
Для сравнения: температура газа внутри Солнца — 15 млн градусов. Сам принцип удержания миллионноградусного плазменного шнура в магнитном поле предложен еще в 50-х годах прошлого века выдающимися советскими учеными, академиками Игорем Таммом и Андреем Сахаровым. Может быть, это удастся вам сделать». Ни у нас в стране, ни где-либо еще. В 2020 году на китайском токамаке EAST ученым из Поднебесной удалось удержать 100-миллионноградусный плазменный шнур в течение 100 секунд. Затем сработала аварийная защита. Установка NIF принципиально отличается он токамаков. Термоядерная реакция протекает за миллионные доли секунды при сжатии термоядерного топлива в виде шариков размером с маковое зерно — смеси из трития и дейтерия. Для сжатия используют мощные лазеры. Этот принцип создания и поддержания управляемой термоядерной реакции поэтому и называется лазерный термояд; или — инерциальный. Термояд по капле «Это историческое достижение для исследователей и сотрудников NIF, которые посвятили свои карьеры тому, чтобы увидеть, как термоядерный синтез становится реальностью, и это достижение, несомненно, повлечет за собой новые открытия», — заявила министр энергетики США Дженнифер Грэнхолм. Рекордный эксперимент обошелся американскому налогоплательщику в 3,5 млрд долл. Почему так дорого? Сердце реактора NIF — 192 мощных лазера, которые одновременно направляются на миллиметровую сферическую мишень около 150 микрограммов термоядерного топлива — смесь дейтерия и трития; возможно, в дальнейшем радиоактивный тритий можно будет заменить легким изотопом гелия-3, которого так много на Луне. Температура мишени достигает в результате 100 млн градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд раз превышает давление земной атмосферы. То есть условия в центре мишени сравнимы с условиями внутри Солнца. Энергия самого лазерного луча при этом составляет около 1 МДж. Представьте теперь цепочку падающих в лазерное перекрестье шариков с компонентами термоядерного топлива фактически миниатюрных водородных микробомбочек. И, соответственно, непрерывную цепочку микровзрывов… Даже сложно вообразить, как физикам удалось достичь синхронности работы этих лазеров и идеально равномерного обжатия мишени! Совершенно справедливо администратор Нaциoнaльнoй администрации по ядерной безопасности NNSA Джилл Хруби назвала проведенный эксперимент «чудом инженерной мысли». Но вот придумали такую схему… в СССР. Идея инерциального термоядерного синтеза была сформулирована в 1962 году академиком Николаем Геннадьевичем Басовым и тогда еще не академиком Олегом Николаевичем Крохиным.
Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
| Термоядерный реактор: что это, как устроен, международный термоядерный реактор ИТЭР | Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. |
| Новый термоядерный рекорд: китайский токамак удерживал плазму 403 секунды | Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития. |
| Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака | Специалисты Института ядерной физики СО РАН уверены, что для Сибири термоядерный взрыв будет иметь катастрофические последствия. |
Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский. Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен! Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". С середины прошлого века физики всего мира ищут возможность воспроизвести реакцию термоядерного синтеза, происходящую в центре звезд. Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF).
Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
| Термоядерный синтез | Актом термоядерной реакции является слияние двух тяжелых ядер водорода (дейтерия с дейтерием или дейтерия с тритием) в ядро гелия. |
| Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака | Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного. |
| Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза | Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов. |
| Ученые в США провели третий успешный эксперимент с ядерным синтезом | Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. |
Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить
Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку. Как рассказал Михаил Ковальчук, для проведения фундаментальных исследований в области термоядерной физики первым делом приобретаются подобные установки. Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез.
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
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. Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике. Ещё с 1950-х годов прошлого века физики мечтали использовать термоядерный синтез для получения энергии, но прежде не получалось добыть больше энергии. Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития.
Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
| Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака | Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен! |
| Эра термоядерного синтеза | Термоядерный синтез представляет собой процесс, во время которого два лёгких атомных ядра объединяются в одно более тяжёлое с высвобождением большого количества энергии. |
#термоядерный синтез
Впервые "положительный КПД в управляемой реакции термоядерного синтеза" был получен в 1950х, а девайс, который это сделал, называется "термоядерная бомба". Положительный КПД в токамаках и стеллараторах стабильно получают как бы не с конца 80х; первая экспериментальная термоядерная электростанция строится в Европе с 90х, и начала бы свою работу до 2030, если бы современные европейские элиты не были полными идиотами.
В основе проекта лежит разработанная в нашей стране концепция установки токамак. Токамак — тороидальная камера, магнитная катушка. Система удержания плазмы токамак изобретена и предложена в Советском Союзе в Курчатовском институте, и это наш главный вклад. То есть вся кооперация, весь мир строит реактор в концепции, предложенной нашими учеными». Интересно и то, что соглашение об ИТЭР состоит из двух частей. Первая: о создании самого проекта и его реализации, а вторая — как страны участники будут делить интеллектуальную собственность, которая создается.
Семь партнеров, включая Россию, вкладывают свои ресурсы и технологии. Наша доля — девять процентов. Взамен мы получаем право на безвозмездную лицензию для уже нашей собственной термоядерной программы и создания нашего реактора.
Для сжатия используют мощные лазеры. Этот принцип создания и поддержания управляемой термоядерной реакции поэтому и называется лазерный термояд; или — инерциальный.
Термояд по капле «Это историческое достижение для исследователей и сотрудников NIF, которые посвятили свои карьеры тому, чтобы увидеть, как термоядерный синтез становится реальностью, и это достижение, несомненно, повлечет за собой новые открытия», — заявила министр энергетики США Дженнифер Грэнхолм. Рекордный эксперимент обошелся американскому налогоплательщику в 3,5 млрд долл. Почему так дорого? Сердце реактора NIF — 192 мощных лазера, которые одновременно направляются на миллиметровую сферическую мишень около 150 микрограммов термоядерного топлива — смесь дейтерия и трития; возможно, в дальнейшем радиоактивный тритий можно будет заменить легким изотопом гелия-3, которого так много на Луне. Температура мишени достигает в результате 100 млн градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд раз превышает давление земной атмосферы.
То есть условия в центре мишени сравнимы с условиями внутри Солнца. Энергия самого лазерного луча при этом составляет около 1 МДж. Представьте теперь цепочку падающих в лазерное перекрестье шариков с компонентами термоядерного топлива фактически миниатюрных водородных микробомбочек. И, соответственно, непрерывную цепочку микровзрывов… Даже сложно вообразить, как физикам удалось достичь синхронности работы этих лазеров и идеально равномерного обжатия мишени! Совершенно справедливо администратор Нaциoнaльнoй администрации по ядерной безопасности NNSA Джилл Хруби назвала проведенный эксперимент «чудом инженерной мысли».
Но вот придумали такую схему… в СССР. Идея инерциального термоядерного синтеза была сформулирована в 1962 году академиком Николаем Геннадьевичем Басовым и тогда еще не академиком Олегом Николаевичем Крохиным. Басов выступал на сессии Академии наук СССР и определил лазерный термояд как одно из направлений управляемого термоядерного синтеза. Он даже оценил, какая мощность лазера должна быть, чтобы зажечь термоядерную реакцию в этих условиях. Как раз 13 декабря, за день до 100-летнего юбилея Николая Басова, на заседании Президиума Российской академии наук, посвященном этой дате, академик, заместитель директора Российского федерального ядерного центра «ВНИИЭФ» по лазерно-физическому направлению Сергей Гаранин подчеркнул: «Фактически достигнуто зажигание термоядерного горючего.
Эти результаты достигнутые на NIF. Михаил Мишустин 18 мая 2021 года принял участие в церемонии физического пуска установки управляемого термоядерного синтеза токамак Т-15МД в Курчатовском институте. Впрочем, не надо переоценивать его немедленную практическую значимость. От этого результата до электростанций, работающих на реакциях термоядерного синтеза, — дистанция огромного размера». Вот и директор LLNL Ким Будил считает, что еще предстоит преодолеть «значительные препятствия» в отношении технологии термоядерного синтеза, прежде чем ее можно будет использовать в глобальных масштабах — или для начала в любом масштабе, если уж на то пошло.
В ходе эксперимента, проведенного 5 декабря 2022 года, была впервые запущена управляемая реакция синтеза, которая генерировала в полтора раза больше энергии, чем было на нее потрачено. Об этом сообщается в пресс-релизе, опубликованном на сайте научной организации; подробно о научном прорыве рассказывает издание Nature. Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility NIF. Реакцию запускали с помощью 192 лазеров, которые нагревали хольраумы — небольшие золотые цилиндры, внутри которых находится капсула со смесью изотопов водорода, трития и дейтерия. Лазеры подали 2,05 мегаджоуля энергии на внутреннюю стенку цилиндра, которая переизлучала ее в виде теплового рентгеновского излучения, вызвавшего взрыв внешней оболочки капсулы, направленный внутрь. Как зародился комплекс National Ignition Facility В 1960-х годах группа ученых из LLNL выдвинула гипотезу о том, что лазеры можно использовать для индукции термоядерного синтеза в лабораторных условиях. Эта революционная идея привела к появлению термоядерного синтеза с инерционным удержанием топлива, положив начало более чем 60-летним исследованиям и разработкам.
В конце концов был создан комплекс NIF размером со спортивный стадион, где лазеры используются для создания температур и давлений, подобных тем, что возникают в ядрах звезд и планет-гигантов, а также внутри ядерных взрывов Ударные волны от взрыва заставляют дейтериево-тритиевое топливо сжиматься до давления в сотни гигабар, что создает в его центре горячую точку с температурой около 10 миллионов кельвинов. В таких условиях экстремальная температура, сравнимая с температурой звезд, приводит к тому, что изотопы водорода начинают сливаться с образованием ядер гелия, высвобождая дополнительную энергию и создавая каскад термоядерных реакций.