Кажется, физики только что переписали основополагающее правило для термоядерных реакторов, обещающих миру почти бесконечную энергию. Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём.
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние. Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние. 83-летний физик Питер Хиггс, еще в 60-х предсказавший существование поля, которое отвечает за массу всех элементарных частиц, расплакался. Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития.
Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
| Учёным удалось получить полезную энергию в термоядерной реакции / Хабр | Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. |
| Американские физики повторно добились термоядерного зажигания | Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. |
Термоядерную установку, у которой нет аналогов в мире, запустили в Курчатовском институте
Главная проблема — затраты энергии на разогрев мишени должны быть меньше желательно, гораздо меньше , чем энергия выделяемая при термоядерном синтезе. Иначе процесс не производит энергию, а тратит. Как сообщила Ливерморская лаборатория, на NIF поставлен новый рекорд: летние эксперименты показали в 8 раз более высокий энергетический выход, чем во время весенних опытов 2021 года и в 25 раз выше результатов 2018 года. Выход превысил 1,3 мегаджоуля.
Это серьезный шаг вперед. Хотя пока еще нельзя говорить, что NIF может устойчиво производить энергию. Установка, созданная Helion Energy — реактор Trenta — использует другой принцип.
Плазма разогревается в двух источниках, и ее потоки сталкиваются в камере сгорания. В ней достигаются условия, при которых начинается термоядерный синтез и выделяется энергия. Trenta создает те же 100 миллионов градусов, что и NIF.
Но эти «градусы» много дешевле.
NIF — самая мощная лазерная система в мире, насчитывающая 192 лазерных пучка. Принцип работы тот же, но в LMJ 176 лазерных луча. ТОП-7 событий в области термояда в 2018 году: В марте специалисты отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН представили систему контроля концентрации водяного пара в плазме, которая обеспечит безопасность водяной системы охлаждения термоядерного реактора. В апреле ученые Института ядерной физики им. Будкера представили технологию, позволяющую в реальном времени наблюдать поведение конструкционных материалов при термоядерном синтезе. В июле американская Lockheed Martin запатентовала дизайн компактного реактора CFR, прототипы которого были представлены еще в 2017 году. В августе в Оксфордском университете запущена импульсная установка FLF.
В сентябре специалисты Токийского университета представили устройство для создания магнитного поля с полностью контролируемыми параметрами, причем магнитное поле экспериментально удается продержать 100 мкс — это абсолютный рекорд. В декабре исследователи из Управления по атомной энергии Великобритании сообщили о создании уникальной системы для охлаждения плазмы в токамаке охлаждение — одна из ключевых проблем в токамаках. Международный проект ИТЭР International Thermonuclear Experimental Reactor ITER — самый крупный в мире токамак, сложнейшая термоядерная экспериментальная машина, призванная продемонстрировать осуществимость технологий термоядерного синтеза и доказать, что термоядерная реакция может быть управляемой. Идея ИТЭР состоит в том, чтобы на выходе вырабатывать в 10 раз больше энергии, чем на входе. Основан проект ИТЭР на российской концепции токамака с магнитным удержанием плазмы. Строительные работы ИТЭР официально начались в октябре 2007 года, после ратификации cоглашения о проекте всеми сторонами. Стройка развернулась в Кадараше, на юге Франции. Львиная доля вложений приходит не в денежном выражении, а в виде компонентов и оборудования для реактора.
А поскольку центральная организация ИТЭР не контролирует расходы семи партнеров, определить фактическую стоимость проекта крайне сложно. Изготовление компонентов, производство оборудования и разработка диагностик для ИТЭР распределены между всеми участниками консорциума. Над дизайном основного элемента реактора, криостата, работала Индия, присоединившаяся к консорциуму в 2005 году. Основа криостата, весом 1250 тонн, будет одной из самых тяжелых одиночных нагрузок при сборке машины весом 23 тыс. Европейский союз ответственен за вакуумную камеру, однако для оптимизации проекта и минимизации задержек часть работ была поручена Корее, которая продемонстрировала высочайший уровень собственных технологий, запустив токамак со сверхпроводящей магнитной системой KSTAR Korean Superconducting Tokamak Advanced Research , получивший первую плазму в 2008 году, и продемонстрировав рекордную 70-секундную высокопроизводительную плазму в 2016 году. Китай вместе с Россией работают над созданием сверхпроводников, первая поставка которых была осуществлена в июне 2014 года. Шесть кольцеобразных полоидальных магнитов с полевой катушкой будут окружать машину ИТЭР для формирования плазмы и обеспечения ее стабильности путем отстранения от стенок вакуумного реактора. Россия отвечает за широкий спектр электротехнических компонентов, из которых состоят коммутационные сети, блоки быстрого разряда, комплекты поставки измерительной аппаратуры.
Налажено производство сборных шин и переключающих сетевых резисторов, завершается программа НИОКР для компонентов блока быстрой разгрузки. Японские инженеры и ученые также работают над магнитной системой, в частности, над дизайн-проектом катушек тороидального поля и над получением сверхпроводящих ниобий-оловянных стрендов. Получение первой плазмы на установке ИТЭР запланировано на 2025 год, выход на полную мощность — на 2035 год. Недавно о желании присоединиться к проекту заявили Австралия и Иран. Это еще одна из важнейших задач, которую должен решить ИТЭР.
Результаты исследования помогут развитию энергоэффективной термоядерной энергетики.
Команда вводила дейтерий, чтобы замедлить термоядерную реакцию и контролировать ее поведение. Несмотря на то, что это время было коротким, оно уже показывает, что более плотная плазма может быть управляемой в токамаке. Исследователи использовали метрику под названием H98 y, 2 для оценки эффективности, с которой реактор токамака удерживает плазму. Как объясняют ученые, если значение H98 y, 2 больше 1, это означает, что плазма остается стабильной и хорошо удерживается, что и было сделано в эксперименте. Повторение эксперимента на более крупном реакторе После такого успеха ученые хотят экстраполировать результаты на более крупные установки.
В частности, они думают об ИТЭР, экспериментальном токамаке нового поколения, который сейчас строится во Франции. Однако исследователи подчеркивают, что воспроизвести тот же эксперимент на реакторе такого размера может быть очень сложно.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
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.
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.
Все это время мощности не использовались. Нам потребовалось почти два года, чтобы решить эту проблему.
Ранее в этом году, в ходе оглашения стратегии развития термоядерной энергии, один из американских конгрессменов заявил, что технология является «святым граалем» чистой энергетики и потенциально способна избавить большее число людей от бедности, чем открытие огня. Большинство исследований пока связаны с т. Если ранее термоядерной энергетикой занимались преимущественно государственные учреждения, то в последнее время инвестиции в соответствующую отрасль потекли и в частные компании, обещающие создать работоспособные технологии к 2030-м годам. Хотя многие учёные считают, что до появления термоядерных электростанций пройдут ещё десятилетия, новости невозможно игнорировать. Термоядерные реакции намного безопаснее с экологической точки зрения, чем обычные ядерные.
К тому же даже небольшое количество водорода в теории способно снабжать дом энергией в течение сотен лет.
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.
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
Это научное достижение, показывающее, что достигнуто неплохое понимание поведения экстремально сжимаемой материи. Но до практического применения результатов еще далеко, поскольку полная энергия, потребляемая установкой, в десятки раз превышает энергию, полученную от синтеза». Духова «Событие, важное не только для мировой науки, для человечества — это термоядерный синтез с положительным выходом энергии. Американский "Национальный комплекс зажигания" National Ignition Facility, NIF в Ливерморской национальной лаборатории воспроизвел так называемый инерционный управляемый термоядерный синтез, предусматривающий облучение крошечной порции водородной плазмы самым большим в мире лазером». Вот когда появится первая ТЯ электростанция на 100 гвт, тогда и будет порыв. А так, просто болтовня!
Соответственно, эта часть спроса сохранится. А вот энергетический уголь пострадает довольно сильно. Но пока стадия, в которой находятся исследования, не позволяет сделать надежных выводов. Если действительно реактор, работающий на ядерном синтезе, удастся технически реализовать, это будет огромный прорыв. Это сильно изменит мировую экономику.
Причем очень сильно. Но пока это все-таки относится к области научной фантастики, это достаточно далеко от реальности». В разработку термоядерных технологий инвестирует и Россия. В апреле на токамаке московского Курчатовского института была получена первая термоядерная плазма.
Напомним, тогда, затратив 2,05 МДж на питание лазеров, ученые получили 3,15 МДж энергии. Повторный эксперимент был нужен для того, чтобы подтвердить, что первоначальный успех не был случайностью и технология действительно позволяет генерировать больше энергии, чем затрачивается на запуск реакции. Термоядерный синтез — это процесс, при котором два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое, высвобождая большое количество энергии. В 1960-х годах группа ученых-первопроходцев из LLNL выдвинула гипотезу, что лазеры можно использовать для индукции термоядерного синтеза в лабораторных условиях.
Это научное достижение, показывающее, что достигнуто неплохое понимание поведения экстремально сжимаемой материи. Но до практического применения результатов еще далеко, поскольку полная энергия, потребляемая установкой, в десятки раз превышает энергию, полученную от синтеза». Духова «Событие, важное не только для мировой науки, для человечества — это термоядерный синтез с положительным выходом энергии. Американский "Национальный комплекс зажигания" National Ignition Facility, NIF в Ливерморской национальной лаборатории воспроизвел так называемый инерционный управляемый термоядерный синтез, предусматривающий облучение крошечной порции водородной плазмы самым большим в мире лазером». Вот когда появится первая ТЯ электростанция на 100 гвт, тогда и будет порыв. А так, просто болтовня!
Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза
Специалисты Института ядерной физики СО РАН уверены, что для Сибири термоядерный взрыв будет иметь катастрофические последствия. Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии, чем потребил. Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике. 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
| Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики | В запущенном в Китае реакторе термоядерного синтеза использовалось достижение российских ученых, создавших устройство, отслеживающее температуру плазмы. |
| Российские физики рассказали о приручении термоядерного синтеза | Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке». |
| Статьи по теме «термоядерный синтез» — Naked Science | Реакции термоядерного синтеза позволяют получать энергию без радиоактивных отходов и оставления углеродного следа. |
| Термоядерный синтез новости • AB-NEWS | Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза. |
| ядерная физика | Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция. |
ядерная физика
Буквально на долю секунды, но принцип тот же: и звезды, и термоядерные реакторы выделяют энергию за счет слияния элементов в более тяжелые. Синтезом как таковым давно никого не удивишь — первую термоядерную бомбу испытали еще в середине прошлого века, примерно столько же ученые трудятся над прототипом термоядерного реактора. Но здесь ученым удалось достичь положительного КПД, причем уже трижды. Как утверждают в лаборатории LLNL, лазеры направили в камеру реактора около 2 мегаджоулей энергии, а в результате синтеза выделились более 3 мегаджоулей. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский: Дмитрий Побединский популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» «Многие считают, что это довольно сомнительно, потому что очень много мощных лазеров фокусируются на очень маленькой мишени, в которой запускается в небольших масштабах замедленная реакция и очень быстро выделяется много энергии.
По сути, получается маленький термоядерный взрыв. И как преобразовывать выделяющуюся энергию в полезную мощность — большой вопрос. Ее много выделяется за очень короткое время.
Мне прямо говорили, что машина никогда не будет работать. Благодарен нашему научному и административному руководству того времени, согласовавшему начало работы.
Сейчас нас призывают превосходить мировой уровень. Не исключено, хотя и время другое. Она заработала и дала результаты мирового уровня. Установки, о которых мы говорим и которые видим сейчас, помимо исследовательских, фундаментальных и прикладных направлений имеют еще одно направление, именуемое «спецтематикой». Это не оружие, но это работы ради знаний в оборонной физике, поэтому они поддерживались.
Именно поэтому наш институт оказался закрытым и я перестал ездить за рубеж на конференции. А потом, уже в конце 1980-х гг. Оказалось, что наши результаты по выходному продукту в сотни раз лучше, чем американские. Как всегда в таких случаях, требуется примерно два года, чтобы нас услышали. Поначалу был определенный уровень недоверия, но потом решили проверить результаты в совместном эксперименте на «Ангаре-5-1».
В 1993 г. Сначала в 1992 г. Они просили приехать в следующем году со своей диагностикой и проверить наши результаты. Министерство разрешило нам провести совместный эксперимент. Оказалось, что результаты, которые они получили, даже лучше, чем то, что намерили мы.
Но в основном все совпало. Повторилась ситуация, которую мы имели в конце 1960-х гг. Академик Л. Арцимович, руководитель программы УТС того времени, пригласил английских физиков приехать в Курчатовский институт с новой диагностикой и сопоставить измеренные параметры с нашими измерениями. Все подтвердилось, и даже больше.
После этого практически все лаборатории мира, связанные с работами по магнитному удержанию плазмы, стали делать токамаки. Сейчас с нашим участием строится первый экспериментальный реактор ITER, в котором мощность термоядерной реакции должна в 10 раз превзойти мощность, затрачиваемую на поддержание реакции. ITER — это тоже токамак. Работы по физике высоких плотностей энергии продолжаются, лидером этого направления у нас был В. Фортов, с которым мы здесь тоже работали.
Сегодня мы переживаем новый этап в области термоядерных исследований благодаря новой федеральной программе. Она очень сложна. Существуют проблемы создания такого реактора. Одна из важнейших — взаимодействие плазмы со стенкой, то есть эрозия стенки. Было предложено несколько способов ее защиты.
Кстати, самые активные исследования этой проблемы проводятся здесь на токамаке Т-11М под руководством С. Энергетический термоядерный реактор предполагает, что мощность, выделяемая в процессе интенсивной термоядерной реакции, должна превосходить затрачиваемую на поддержание плазмы не менее чем в десять раз. И тогда на стенку камеры идет очень высокий поток частиц, который ее разрушает. Проблема первой стенки — одна из важнейших для энергетического реактора. Если вы снизите требования к интенсивности реакции, то эти потоки уменьшаются и проблема защиты стенки перестает быть такой острой.
Но возникает вопрос: а где мы можем применять эти нейтроны? Оказывается, мы можем их использовать в целях создания топлива для обычных атомных реакторов. Это так называемые гибридные системы «синтез — деление», и они сейчас здесь очень активно обсуждаются и развиваются. Практическая реализация таких систем важна. Но чего сейчас здесь удалось достичь?
Каков сегодня мировой рекорд ее удержания, где он достигнут? Первый токамак со сверхпроводящими магнитными системами был построен в Курчатовском институте.
У "Росатома" есть действующее соглашение с РАН. Как оцениваете участие академических институтов в совместной реализации федерального проекта "Термоядерные и плазменные технологии"? Виктор Ильгисонис: Как абсолютно необходимое. Дело в том, что все академические институты - участники проекта "Термоядерные и плазменные технологии" - имеют собственные уникальные компетенции, освоение которых в контуре "Росатома" заведомо нецелесообразно, если мы исповедуем государственный подход. О других и не говорим… Виктор Ильгисонис: Так вот: уже упомянутый мною Институт прикладной физики в Нижнем Новгороде разрабатывает и производит лучшие в мире гиротроны - специальные устройства для мощного нагрева электронной компоненты плазмы.
Новосибирский ИЯФ создает источники ионов и нейтральных атомов высокой энергии, которые приобретаются всеми ведущими мировыми лабораториями. Санкт-Петербургский физтех - признанный авторитет в методах высокочастотного нагрева плазмы… Список можно продолжать. И сказанное в полной мере относится не только к институтам РАН, но и к организациям НИЦ "Курчатовский институт", к вовлеченным в проект университетам. Какие риски здесь можно и должно прогнозировать с учетом нарастающих антироссийских санкций? Виктор Ильгисонис: Вопрос о пользе нашего участия задают уже лет пятнадцать - с того момента, как проект стартовал. Очевидная и главная польза - это ожидаемое появление в мире уникального экспериментального устройства, создание которого оказалось непосильным ни для одной страны. Причем не только в денежном или техническом плане, но и в интеллектуальном.
А практическая польза - это освоение здесь, на родине, новых технологий и производства высочайшего качества. ИТЭР - это легитимная возможность "приземлить" у себя дома современные, в том числе уникальные зарубежные технологии, в создание которых вложились ведущие мировые разработчики. Мы получаем законное право использовать их в национальных целях. Сегодня ИТЭР - реальный драйвер технологического развития. И я искренне рад, что мировое термоядерное сообщество оказалось способным отделить решение глобальной задачи человечества от сиюминутной политической риторики. Когда говорят о термоядерных исследованиях и пытаются объяснить назначение сложнейших систем того же ИТЭР, приводят для сравнения процессы внутри Солнца и других звезд. Заголовок в газете "Солнце в морозильнике" - это не сильное преувеличение к тому, что всем миром строят и обещают показать во французском Кадараше?
Виктор Ильгисонис: Имеется в виду, полагаю, сравнение температур горячей плазмы внутри токамака и сверхпроводника в его магнитной системе? Если так, то это образное сравнение серьезно не дотягивает до итэровских реалий: плазма ИТЭРа должна быть в десять раз горячее солнечного ядра, а температура в его криостате - в тридцать раз ниже, чем в морозильнике! А в космосе, если сумеем "приручить" термояд, он какие открывает для человека возможности?
Также могут быть использованы новые конструкции, где подачу энергию осуществляют лазерные диоды, производящие энергию в диапазоне частот, которые сильно поглощаются стенками хольраумов. Однако при этом остаются такие факторы, влияющие на экономическую целесообразность, как стоимость топлива и мишеней. Ливерморская национальная лаборатория обошла ITER Наряду c ICF существует еще один способ проведения термоядерного синтеза, называемый магнитным удержанием плазмы.
Он проводится в токамаках — тороидальных установках, где нагретая до экстремальных температур плазма удерживается с помощью мощных магнитных полей. Масштабный проект начал разрабатываться с середины 1980-х годов, а завершить грандиозную стройку планируется в 2025 году. Также как и в инерциальном термоядерном синтезе, в основе работы реактора ITER будет лежать термоядерная реакция слияния изотопов водорода, дейтерия и трития с образованием гелия и высокоэнергетического нейтрона. Для этого дейтерий-тритиевая смесь должна быть нагрета до температуры более 100 миллионов градусов, что в пять раз превышает температуру Солнца. Планируется, что эксперименты по нагреву плазмы для запуска энергоэффективных термоядерных реакций начнутся только в 2035 году. В то же время инженерные задачи и проблемы, с которыми специалисты сталкиваются при строительстве ITER, отличаются от тех, что возникают в ICF.
Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза
Реакции термоядерного синтеза позволяют получать энергию без радиоактивных отходов и оставления углеродного следа. К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский.