83-летний физик Питер Хиггс, еще в 60-х предсказавший существование поля, которое отвечает за массу всех элементарных частиц, расплакался. Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час.
Клаус Фукс получил от Англии 14 лет каторги, а от Страны Советов — вечное забвение
- Инновации и наука
- МЫ БЫЛИ ПЕРВЫМИ
- Выбор сделан - токамак плюс
- Вестник РАН. T. 91, Номер 5, 2021
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
Кажется, физики только что переписали основополагающее правило для термоядерных реакторов, обещающих миру почти бесконечную энергию. 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. Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. Делается вывод о том, что термоядерные исследования способны выступать и уже выступают мощным драйвером научно-технологического прогресса, механизмом, стимулирующим. Проблемы термояда обсудили на 50‑й Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в Звенигороде 20–24 марта.
Американские физики повторно добились термоядерного зажигания
По шуму, который создают пузырьки в трубопроводах, будет оцениваться режим, в котором находится теплоноситель. Системы нагрева плазмы[ править править код ] Для того, чтобы ядра трития вступили в реакцию слияния с ядрами дейтерия, они должны преодолеть взаимное электростатическое отталкивание — кулоновский барьер. При такой высокой температуре кинетическая энергия ядер становится достаточной, чтобы кулоновский барьер был преодолён и термоядерная реакция «зажглась». После зажигания термоядерной реакции предполагается, что можно будет выключить внешние нагреватели плазмы или снизить их мощность. Ожидается, что термоядерная реакция станет самоподдерживающейся. Кроме того, можно задействовать для нагрева плазмы еще и центральный соленоид. Поднимая напряжение в соленоиде от нуля до 30 кВ, можно индуцировать в короткозамкнутом плазменном витке электрический ток. За счет омического нагрева выделяется дополнительное тепло. Такой способ нагрева называется индукционным. Electron Cyclotron Resonance Heating разогревает электроны плазменного шнура, а также используется для отвода тепла в определённых местах в плазме в качестве механизма минимизации нарастания определённых неустойчивостей, приводящих к охлаждению плазмы.
Она выполняет роль «стартера» плазмы в начале выстрела, разогревая нейтральный газ, заполняющий вакуумную камеру. В качестве источников энергии применены гиротроны , каждый мощностью 1 МВт, рабочей частотой 170 ГГц и длительностью импульса более 500 с. Всего гиротронов 24. Они расположены в Здании радиочастотного нагрева и передают свою энергию по волноводам, длина которых составляет 160 м. Производством гиротронов заняты Япония, Россия, Европа и Индия. В конце февраля 2015 года Япония продемонстрировала первый произведённый гиротрон. Все гиротроны предполагалось поставить в ITER в начале 2018 года [27]. Для ввода энергии в вакуумную камеру служат окна из поликристаллического искусственного алмаза. Диаметр каждого алмазного диска 80 мм, а толщина 1,1 мм.
Алмаз выбран потому, что прозрачен для СВЧ излучения, прочен, радиационно стоек и обладает теплопроводностью в пять раз выше, чем у меди. Производством этих кристаллов занята лаборатория во Фрайбурге. Всего для ITER будет поставлено 60 алмазных окон [28]. Ion Cyclotron Resonance Heating разогревает ионы плазмы. Принцип этого нагрева такой же, как и бытовой СВЧ-печи. Частицы плазмы под воздействием электромагнитного поля высокой мощности с частотой от 40 до 55 МГц начинают колебаться, получая дополнительную кинетическую энергию от поля. При столкновениях ионы передают энергию другим частицам плазмы. 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.
Реакторы термоядерного синтеза имитируют ядерный процесс внутри Солнца, сталкивая более легкие атомы вместе и превращая их в более тяжелые, и выделяя огромное количество энергии по пути. 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.
В 1950—1960-х годах ученые предположили, что для получения термоядерной энергии необходимо использовать лазеры. С их помощью можно создать огромное давление и температуру, которые необходимы для запуска реакции. Спустя несколько десятилетий управляемый термоядерный синтез удалось провести в лабораторных условиях. Читайте также Homo Science: Футуроскоп. За искусственным Солнцем: термоядерная энергия.
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. Имеются специальные быстродействующие клапаны, через которые поступает топливо. Если на термоядерной электростанции образуется внештатная, аварийная ситуация, то мгновенно закрываются клапаны, топливо прекращает поступать, той энергии, которая накоплена, для взрыва недостаточно, она может только сломать установку, прожечь камеру.
Токамаки, конечно, нельзя считать полностью безопасными. Опасность заключается в том, что, когда сливаются ядра легких элементов, в частности, дейтерия и трития, образуется ядро гелия и быстрый нейтрон.
Эра термоядерного синтеза
Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+». Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития. Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы.
Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
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. Вид с воздуха на установку ИТЭР — международную исследовательскую площадку для изучения свойств плазмы при реализации термоядерного синтеза Вклад стран-участников не денежный, а технический. Практически у каждой из 35 стран есть собственные термоядерные мини-установки. Работа разделена по секторам будущего реактора, каждая из держав производит свою часть оборудования.
Россия — один из главных участников: у наших ученых многолетний опыт использования токамаков. ИТЭР будет весить 23 тысячи тонн некоторые детали столь тяжелы, что пришлось усиливать дороги, ведущие к реактору , а по высоте, более 70 метров, он обгонит Спасскую башню. Объем плазмы, который надеются получить ученые, — 40 кубометров. Температура в мега-реакторе достигнет головокружительной отметки в 150 миллионов градусов. Чтобы добыть достаточное количество плазмы, магнитное поле в токамаке должно быть в 200 тысяч раз больше земного! Огромные сверхпроводящие магниты будут охлаждаться до экстремальной отметки в минус 269 градусов Цельсия. Завершить строительство ИТЭР планируют к концу 2025 года, тогда же ученые надеются получить первую плазму.
Но запуск реактора не откроет эру управляемого термояда. ИТЭР — это прежде всего экспериментальная установка, призванная доказать, что человечество в принципе способно получать термоядерную энергию в промышленном масштабе. Одна из необходимых особенностей современных токамаков — гигантские размеры. Чем меньше реактор, тем больше плазмы выделяется в процессе диффузии, и тем менее эффективно он работает. Поэтому о миниатюрных термоядерных реакторах в стиле костюма Железного Человека в ближайшем будущем мечтать не приходится. Однако сократить размеры токамаков может помочь искусственный интеллект ИИ. В 2022 году разработали алгоритм, способный создавать и контролировать плазму.
ИИ прошел тесты на настоящем токамаке, где он управлял термоядерным синтезом. Если магнитными полями и плазмой внутри реактора получится управлять более тонко, его габариты можно будет уменьшить и использовать как в промышленности, так и в космосе.
До этого все подобные эксперименты всегда характеризовались затратами, превышающими полученную энергию. Официального объявления ещё не было. Ожидается, что это будет сделано завтра. Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике.
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.
Второй и третий сектора монтируются. Его собирают из шести цилиндрических модулей, укладывая один на другой. Соленоид стабилизирует шнур из плазмы во время работы установки. В феврале Япония доставила последнюю ниобийоловянную катушку тороидального поля. Система шинопроводов, которая собирается из сегментов до 12 м длиной и весом 2—4 т, соединит электросеть с магнитной системой реактора и устройствами быстрого вывода энергии, а также с оборудованием для нагрева плазмы.
Оно не имеет аналогов в мире. Эти аппараты обеспечивают защиту сверхпроводниковых катушек магнитной системы в случае перехода сверхпроводника в резистивное близкое к критическому состояние и являются важными компонентами защиты.
Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
Zap заявляет, что решила ее с помощью стабилизации сдвигового потока — инновации, которая теоретически может продлить срок жизни Z-пинч плазмы почти до бесконечности. Однако выбранное Zap топливо — тритий, безумно дорогое. Несмотря на экономию на сверхпроводящих магнитах, этот факт может стать препятствием для коммерциализации технологии, если не будет решена проблема быстрого и дешевого производства трития, или не найдена подходящая замена. Больше статей на Shazoo.
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. Вид с воздуха на установку ИТЭР — международную исследовательскую площадку для изучения свойств плазмы при реализации термоядерного синтеза Вклад стран-участников не денежный, а технический. Практически у каждой из 35 стран есть собственные термоядерные мини-установки.
Работа разделена по секторам будущего реактора, каждая из держав производит свою часть оборудования. Россия — один из главных участников: у наших ученых многолетний опыт использования токамаков. ИТЭР будет весить 23 тысячи тонн некоторые детали столь тяжелы, что пришлось усиливать дороги, ведущие к реактору , а по высоте, более 70 метров, он обгонит Спасскую башню. Объем плазмы, который надеются получить ученые, — 40 кубометров. Температура в мега-реакторе достигнет головокружительной отметки в 150 миллионов градусов. Чтобы добыть достаточное количество плазмы, магнитное поле в токамаке должно быть в 200 тысяч раз больше земного!
В 1930—1931 годах Клаус учился в Лейпцигском университете, где вступил в Социал-демократическую партию. В 1932 году он стал членом Компартии Германии. После прихода к власти нацистов в январе 1933 года Фукс перешёл на нелегальное положение, а в июле того же года бежал во Францию, откуда перебрался в Великобританию.
Работал аспирантом в лаборатории физика Невилла Мотта в Бристольском университете, где в декабре 1936 года получил степень доктора философии по физике. С 1937 года по рекомендации Мотта работал в лаборатории Макса Борна в Эдинбургском университете, в соавторстве с Борном написал ряд научных статей. После начала Второй мировой войны, в апреле 1940 года, Фукс был интернирован как гражданин враждебной державы и провёл полгода в лагере на острове Мэн, а затем в Канаде. После ходатайств ряда учёных в декабре 1940 года был освобождён и вернулся в Англию. В 1940 году Фукса включили в группу Рудольфа Пайерлса, работавшую в Бирмингемском университете над уточнением критической массы урана и проблемой разделения изотопов в рамках британского ядерного проекта. В 1942 году Клаус получил британское гражданство. Тогда же ему было поручено наблюдение за работами по германскому атомному проекту, для чего он получил доступ к совершенно секретным материалам «Интеллидженс сервис». После нападения Германии на СССР Фукс разделял взгляды о необходимости более активного участия Великобритании в войне, а также о необходимости более широкой помощи воюющему Советскому Союзу. В ноябре 1941 года Фукс посетил советское посольство в Лондоне и предложил предоставить СССР известную ему информацию о работах по созданию ядерного оружия в Великобритании.
Его предложение приняли, связь с Фуксом установили через Урсулу Кучинскую. Урсула была профессиональной связисткой высочайшего уровня. Родилась в Германии в 1907 году. В 1930 году в Шанхае была завербована Рихардом Зорге. Он же присвоил Урсуле псевдоним «Соня», который и использовался в 1940-х годах.
Ничего хорошего в наземных термоядерных взрывах нет. Последствия могут сказываться даже не на сотни лет, а на тысячелетия. Потому что образуются неустойчивые элементы, период полураспада которых исчисляется сотнями лет, а некоторые — и тысячей лет. К проблеме наземных термоядерных испытаний и любых взрывов, связанных с выделением термоядерной энергии, ядерной энергии, надо относиться очень ответственно, — подчеркнул Анатолий Локоть. RU, что термоядерный взрыв — это подрыв сразу двух бомб. Сначала взрывается атомная бомба, которая в итоге является запалом водородной бомбы. И сила у того взрыва колоссальная. Например, в Хиросиме США взорвали только относительно небольшую атомную бомбу, и последствия были ужасающие. Понять я это не могу. Может быть, если на какой-то огромной высоте, если взорвать, то людей массово сразу не убьет, но всё равно радиоактивные осадки будут перемещаться в атмосфере по Земле и в конце концов выпадут вместе с дождями, с пылью на головы всех людей, — отметил физик. Заражение может распространиться по всей Земле и выпасть осадками в другом регионе, стране — это негативные последствия, которые возможны повсеместно. А катастрофические — локальны, — ответили на запрос корреспондента NGS. RU в институте. От такого взрыва могут погибнуть миллионы людей. Просчитать точно все последствия просто невозможно. Но вопрос об угрозе ядерной зимы всё же остается открытым. Электронику отрубит, а вот со спутниками — вопрос У любого взрыва есть свой радиус. RU Вероятность выхода из строя электроприборов после термоядерного взрыва очень высока, так как даже большая вспышка на солнце может оставить людей без гаджетов и электричества. Всё вырубилось вообще из-за сильной вспышки на Солнце. Но опять же это локальные вещи, — отметил физик. И это всё равно что подключить неожиданно к проводу колоссальный источник с огромным напряжением, на которое вся система не рассчитана. И всё это просто вырубается, если не сгорает.
Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика
Специалисты Института ядерной физики СО РАН уверены, что для Сибири термоядерный взрыв будет иметь катастрофические последствия. Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора. Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. Проблемы термояда обсудили на 50‑й Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в Звенигороде 20–24 марта.
Ученые в США провели третий успешный эксперимент с ядерным синтезом
Шведские физики изобрели новый вариант осуществления управляемого термоядерного синтеза. Когда говорят о термоядерных исследованиях и пытаются объяснить назначение сложнейших систем того же ИТЭР, приводят для сравнения процессы внутри Солнца и других звезд. Зачем на самом деле строится самый большой термоядерный реактор. Зачем на самом деле строится самый большой термоядерный реактор.
Ракетчики начали строить термоядерный двигатель
Лебедева РАН «Отмечу недавний успех в лазерном термоядерном синтезе, где радиационное сжатие смеси дейтерия и трития позволило запустить реакцию ядерного синтеза с выделением большей энергии, чем было доставлено в образец. 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 запустили ее в рамках Года науки в Курчатовском институте. Размеры компактные, но мощность запредельная. И перспективы для энергетики тоже. Когда мы ее полностью нагреем — 100 миллионов градусов», — сообщил научный руководитель комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт» Петр Хвостенко. Температура в 10 раз больше, чем в центре Солнца, и задачи космического масштаба — запустить термоядерные реакции, которые происходят в недрах звезд. Звезда по имени токамак — рукотворное Солнце на поверхности на Земле.
Эта установка дает надежду на светлое будущее — термоядерный синтез может обеспечить человечество чистой энергией на тысячелетия вперед. И запуск российской установки — большой шаг на этом пути. Токамак Т-15 МД размером с небольшой дачный домик полностью спроектировали и построили в России за 10 лет. Подобный термоядерный реактор должен помочь заменить атомные электростанции и работать на безопасном и доступном топливе — дейтерии и тритии.
Работа установки NIF Чтобы зажечь термоядерную реакцию в капсуле с топливом, требуется создать в ее центре область очень высокой температуры порядка 100 млн градусов и большой плотности. При меньшей температуре реакция термоядерного синтеза толком не начнется, а при низкой плотности центральная область быстро остынет, не сумев дать заметный энергетический выход.
Но для полноценного термоядерного горения этого мало. Если мы хотим, чтобы центральная область не просто загорелась и потухла, а породила самоподдерживающийся термоядерный синтез во всей капсуле, нужно, чтобы топливо разогревало само себя. Это происходит тоже при высоких плотностях, когда рождающиеся в термоядерном синтезе альфа-частицы поглощаются прямо внутри топливной капсулы, а не улетают прочь. Таким образом, можно сформулировать три ключевых задачи для установки NIF: 1 добиться существенного термоядерного синтеза — количество энергии, выделившейся при синтезе, должно превышать энергию, поглощенную топливом; 2 добиться устойчивого термоядерного горения всей топливной капсулы за счет саморазогрева альфа-частицами; 3 добиться полной эффективности выше единицы — то есть энергетический выход должен превышать всю энергию, затраченную на зажигание реакции, а не только ту часть, которая поглощается непосредственно топливом. Достижение этих целей — задача исключительно непростая. Если просто изготовить капсулу из нужного топлива и сфокусировать на ней мощный лазерный луч, то никакого сжатия не произойдет: капсула просто нагреется и испарится.
Даже если сфокусировать несколько лазерных лучей со всех сторон, тоже проку будет немного. Капсула частично испарится, частично сожмется, но сжатие будет сопровождаться сильными искажениями формы это неустойчивость Рэлея—Тейлора , характерная для многих гидродинамических течений. При неравномерном сдавливании капсулы они быстро нарастают, и в результате вместо сильного сжатия оболочку с топливом просто разорвет на куски. Преодоление этих трудностей и является пока главной задачей в инерционном термоядерном синтезе. Установка NIF использует две идеи, помогающие бороться с этими проблемами: слоистую капсулу и непрямое обжатие рис. Чтобы не потерять топливо при нагревании, внешняя оболочка капсулы делается из пластика, а дейтериево-тритиевая смесь наносится в виде льда на внутренную поверхность этой оболочки.
Внешний слой поглощает лазерный импульс, резко нагревается и расширяется, ударным образом сжимая при этом внутреннюю часть капсулы. 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.
Всего несколько десятков пикосекунд продолжается горение, мощность которого в этот короткий миг сравнимо с потоком солнечной энергии на всю планету Земля и в десятки тысяч раз превосходит всю остальную мощность человеческой цивилизации. Как итог — в 2019-2020 году выход термоядерной энергии в экспериментах NIF начал заметно расти, перешагнул порог 100 килоджоулей, а весной 2021 года несколько выстрелов дали энергии от 400 до 700 килоджоулей и наконец 8 августа 2021 года — 1350 килоджоулей. Эта энергия в 2-5 раз превосходила энергию рентгеновского излучения от стенок хольраума и в 10-20 раз — энергию, переданную топливной сфере и свидетельствовала о том, что зажженная термоядерная реакция в маленькой точке в центре сжатой сферы успевает прогреть и поджечь окружающий ее относительно холодный топливный материал. Теперь ученые, работающие в NIF провели пресс-конференцию, где рассказали, что 5 декабря 2022 года, при мощности лазера в 114 процентов от номинальной командой было получено заметное превышение выхода термоядерной энергии 3,15 мегаджоулей над вложенной энергией лазера 2,05 мегаджоулей , что является рекордным достижением для всех установок термоядерного синтеза. Журнал Science добавляет несколько деталей про выстрел 5 декабря. Рекордный эксперимент потребовал заметных усилий от команды экспериментаторов.
Для корпуса топливной капсулы использовался искусственный алмаз, который давал наиболее гладкую сферическую поверхность без пор. Было максимально уменьшено отверстие, через которое капсула заполняется топливом. Лазер был настроен на максимальную мощность и энергию, что позволило придать испаренной оболочке капсулы больше ускорения и сжать топливо чуть больше. За три месяца до рекорда, команда NIF уже опробовала эти улучшения, получив энерговыход в 1,2 мегаджоуля. Проблема, как оказалась, лежала в недостаточно симметричном обжатии, на последнем этапе капсула превратилась скорее в блин, чем в плотный шарик. Путем подстройки мощности каждого из 192 лучей удалось улучшить сферичность сжатия и как итог — получить рекордную термоядерную энергию. Никаких других подробностей об эксперименте нет: команда не опубликовала научную статью о своем результате. Много это или мало?
Эффективность термоядерных установок оценивают в Q — это отношение выделившейся термоядерной энергии к вложенной в плазму энергии нагрева. Сейчас Q в эксперименте на NIF достиг значения 1,54. Это значительно лучше достижений другой ветви управляемого термоядерного синтеза — магнитного удержания плазмы с помощью токамаков. Однако с инженерной точки зрения эти показатели не очень существенны, поскольку важен баланс затраченной и полученной электроэнергии. Посмотрим, что такое эксперимент на NIF с точки зрения баланса энергии цифры взяты из эксперимента 2021 года : NIF тратит 400 мегаджоулей на работу ламп-вспышек и еще 100 мегаджоулей на другие нужды установки Лампы-вспышки накачивают примерно 50 мегаджоулей в активную среду генерации лазеров Затем 4,2 мегаджоуля инфракрасного лазерного излучения конвертируют в ультрафиолет Лазерный ультрафиолет приносит в хольраум 1,8 мегаджоуля Хольраум производит 300 килоджоулей рентгеновского излучения Капсула поглощает 40-50 килоджоулей рентгена и схлопывается, производя термоядерную энергию — 1,35 мегаджоулей. В декабрьском эксперименте термоядерной энергии выделилось более чем в два раза больше — 3,05 мегаджоулей. Цифры говорят, что инженерам еще надо долго совершенствовать установку, чтобы она научилась перекрывать начальные затраты в сотни мегаджоулей. Поэтому, хотя нам может показаться, что мы видим смену лидера — после 50 лет превосходства токамаков в Q, внезапно вперед вырывается инерциальный синтез, зрелость токамаков, как энергетических установок значительно выше.
Инженерам придется ответить на множество вопросов: как оптимально поглощать и отводить на генераторы гигаджоули энергии, выделяющиеся в шарике размером несколько микрон? Как эффективно получать несуществующий на земле изотоп тритий, используемый в качестве топлива? Как дешево и массово производить мишени, требующие рекордных характеристик? Как сделать надежной и недорогой лазерную установку, которая должна выдавать несколько мегаджоулей раз в секунду или около того, тогда как сегодня ее подготовка к одному выстрелу занимает полдня, и как быстро устранять ее неисправности?
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
Как рассказал Михаил Ковальчук, для проведения фундаментальных исследований в области термоядерной физики первым делом приобретаются подобные установки. Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. Зачем на самом деле строится самый большой термоядерный реактор. 83-летний физик Питер Хиггс, еще в 60-х предсказавший существование поля, которое отвечает за массу всех элементарных частиц, расплакался. Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF). Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения.
Почему сложно построить реактор для синтеза
- ЗА ЧТО БОРЕМСЯ
- Что еще почитать
- Термоядерный синтез новости • AB-NEWS
- Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
«Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза
Хоть термоядерная реакция и считается самой чистой из всех ядерных, но сильные потоки электронов, которые активируют окружающие вещества, никто отменить не может. Но самый, пожалуй, главный вопрос заключается в том, действительно ли термоядерный реактор поможет нам вырабатывать дешевую электроэнергию? То есть, условно, на мишень попал 1 мегаджоуль, а выделилось 1,2 мегаджоуля. Но на самом деле надо смотреть, сколько установка потребила энергии из розетки. Это будут совсем другие цифры.
Все это пока сильно охлаждает мысль о том, что завтра у нас будут фабрики с термоядерными управляемыми реакторами. И там тоже будет использоваться рентгеновский диапазон излучения для обжатия мишени, как и американцев, но есть свои интересные наработки. Работы пока проводятся на уровне энергии в несколько десятков килоджоулей.. На полный уровень энергии 2.
Первая — это проблема устойчивости плазмы. На бумаге все было красиво, но жизнь внесла свои коррективы. Оказалось, что в реальности добиться сферического обжатия мишени очень сложно. Второе — не хватало мощности лазеров.
По сравнению с первыми экспериментами они сегодня в несколько сотен раз мощнее. Им придется восстанавливать установку еще довольно долго.
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?
В качестве следующего шага планируется создание на его основе будущего китайского испытательного термоядерного реактора CFETR , который рассматривается как «искусственное солнце» нового поколения и который станет первым в мире демонстрационным термоядерным реактором. 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.
Как итог — в 2019-2020 году выход термоядерной энергии в экспериментах NIF начал заметно расти, перешагнул порог 100 килоджоулей, а весной 2021 года несколько выстрелов дали энергии от 400 до 700 килоджоулей и наконец 8 августа 2021 года — 1350 килоджоулей. Эта энергия в 2-5 раз превосходила энергию рентгеновского излучения от стенок хольраума и в 10-20 раз — энергию, переданную топливной сфере и свидетельствовала о том, что зажженная термоядерная реакция в маленькой точке в центре сжатой сферы успевает прогреть и поджечь окружающий ее относительно холодный топливный материал. Теперь ученые, работающие в NIF провели пресс-конференцию, где рассказали, что 5 декабря 2022 года, при мощности лазера в 114 процентов от номинальной командой было получено заметное превышение выхода термоядерной энергии 3,15 мегаджоулей над вложенной энергией лазера 2,05 мегаджоулей , что является рекордным достижением для всех установок термоядерного синтеза. Журнал Science добавляет несколько деталей про выстрел 5 декабря. Рекордный эксперимент потребовал заметных усилий от команды экспериментаторов. Для корпуса топливной капсулы использовался искусственный алмаз, который давал наиболее гладкую сферическую поверхность без пор. Было максимально уменьшено отверстие, через которое капсула заполняется топливом. Лазер был настроен на максимальную мощность и энергию, что позволило придать испаренной оболочке капсулы больше ускорения и сжать топливо чуть больше. За три месяца до рекорда, команда NIF уже опробовала эти улучшения, получив энерговыход в 1,2 мегаджоуля. Проблема, как оказалась, лежала в недостаточно симметричном обжатии, на последнем этапе капсула превратилась скорее в блин, чем в плотный шарик. Путем подстройки мощности каждого из 192 лучей удалось улучшить сферичность сжатия и как итог — получить рекордную термоядерную энергию. Никаких других подробностей об эксперименте нет: команда не опубликовала научную статью о своем результате. Много это или мало? Эффективность термоядерных установок оценивают в Q — это отношение выделившейся термоядерной энергии к вложенной в плазму энергии нагрева. Сейчас Q в эксперименте на NIF достиг значения 1,54. Это значительно лучше достижений другой ветви управляемого термоядерного синтеза — магнитного удержания плазмы с помощью токамаков. Однако с инженерной точки зрения эти показатели не очень существенны, поскольку важен баланс затраченной и полученной электроэнергии. Посмотрим, что такое эксперимент на NIF с точки зрения баланса энергии цифры взяты из эксперимента 2021 года : NIF тратит 400 мегаджоулей на работу ламп-вспышек и еще 100 мегаджоулей на другие нужды установки Лампы-вспышки накачивают примерно 50 мегаджоулей в активную среду генерации лазеров Затем 4,2 мегаджоуля инфракрасного лазерного излучения конвертируют в ультрафиолет Лазерный ультрафиолет приносит в хольраум 1,8 мегаджоуля Хольраум производит 300 килоджоулей рентгеновского излучения Капсула поглощает 40-50 килоджоулей рентгена и схлопывается, производя термоядерную энергию — 1,35 мегаджоулей. В декабрьском эксперименте термоядерной энергии выделилось более чем в два раза больше — 3,05 мегаджоулей. Цифры говорят, что инженерам еще надо долго совершенствовать установку, чтобы она научилась перекрывать начальные затраты в сотни мегаджоулей. Поэтому, хотя нам может показаться, что мы видим смену лидера — после 50 лет превосходства токамаков в Q, внезапно вперед вырывается инерциальный синтез, зрелость токамаков, как энергетических установок значительно выше. Инженерам придется ответить на множество вопросов: как оптимально поглощать и отводить на генераторы гигаджоули энергии, выделяющиеся в шарике размером несколько микрон? Как эффективно получать несуществующий на земле изотоп тритий, используемый в качестве топлива? Как дешево и массово производить мишени, требующие рекордных характеристик? Как сделать надежной и недорогой лазерную установку, которая должна выдавать несколько мегаджоулей раз в секунду или около того, тогда как сегодня ее подготовка к одному выстрелу занимает полдня, и как быстро устранять ее неисправности? Многие десятилетия результаты установок с инерциальным удержанием вызывали скепсис и уныние, а строительство новых установок финансировалось только военными.