Ещё с 1950-х годов прошлого века физики мечтали использовать термоядерный синтез для получения энергии, но прежде не получалось добыть больше энергии. В запущенном в Китае реакторе термоядерного синтеза использовалось достижение российских ученых, создавших устройство, отслеживающее температуру плазмы. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов.
ядерная физика
Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы. Европейский токамак обновил рекорд по количеству полученной в ходе термоядерной реакции энергии. Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен! Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние. Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+».
Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза. Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF). В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных. Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР. Ученые Института ядерной физики а СО РАН (ИЯФ, Новосибирск) добились ускорения плазмы в термоядерной установке "СМОЛА", где вещество удерживается. Статья автора «Канал Наука» в Дзене: 13 декабря 2022 года было объявлено: американским физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии.
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
| 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. |
| Выбор сделан - токамак плюс | Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. |
Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова
Рассчитывают они на это и сейчас, и строят в надежде на это международный термоядерный реактор ИТЭР читайте о нем в нашем материале «Солнце в бутылку! Быстрее взрыва Но наш главный герой — устройство, совсем не похожее на токамак. Это установка NIF National Ignition Facility — можно перевести как «Национальная зажигательная лаборатория» была построена в США в конце 1990-х годов для изучения управляемого термоядерного синтеза с инерциальным конфайнментом и непрямым лазерным обжатием. Главное слово в этом длинном поезде терминов — прилагательное «инерциальный». Если вы попытаетесь нагреть капсулу с термоядерным топливом скажем, смесью дейтерия и трития до очень высоких температур, при которых теоретически может начаться реакция синтеза, то задолго до нужного градуса и капсула и ее содержимое испарятся и рассеются в пространстве. Именно поэтому создатели токамаков тратят столько усилий на удержание плазмы в ограниченном объеме, чтобы не терять нужные для синтеза плотность и температуру топливной смеси. Но если вы сумеете сжать и нагреть топливо очень быстро и очень сильно, то термоядерная реакция в нем будет идти быстрее, чем разлет вещества капсулы и ее охлаждение. Иначе говоря, инерциальное удержание то есть конфайнмент состоит в том, что и реакция, и выделение энергии происходят до того, как вещество наконец соберется разлететься — точно как в термоядерной бомбе после того, как в ней сработает атомный запал. Как это сделать? Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного внутрь симметричного взрыва — имплозии — обычной взрывчатки.
В 1978 году в письме в Nature физики из ядерного центра в Арзамасе-16 сообщали , что проводили такие эксперименты в 1955 и 1963 годах и достигли успеха — то есть смогли зафиксировать нейтроны, порожденные, по их мнению, термоядерной реакцией в тритиево-дейтериевой мишени. Но к тому моменту у ученых появился значительно более удобный, чем раствор нитробензола в тетранитрометане , инструмент — лазер. Лазерный пресс Один из изобретателей лазера Николай Басов в 1964 году вместе с коллегами опубликовал в ЖЭТФ статью , где рассматривал тонкости нагрева плазмы лазерным излучением, а уже через несколько лет рассказал о результатах первых экспериментов с мишенью из дейтерида лития и они увидел нейтроны, что могло свидетельствовать о термоядерной реакции. За океаном в то же время ходили похожие идеи. Например, американский «отец» водородной бомбы Эдвард Теллер в 1957 году обдумывал вариант взорвать термоядерное устройство в трехсотметровой полости в толще гранита для получения энергии. Это заставило его и его сотрудников искать ответы на два вопроса: каким может быть наименьший энергетический выход термоядерной реакции, который бы имел смысл для коммерческого использования, и какого уровня энерговыделения можно добиться, не используя для запуска реакции «ядерный запал». Эти вопросы через некоторое время привели их к мысли об использовании лазера — как способа концентрации энергии в очень небольшом пространстве, что позволяло бы достичь необходимых давлений и температур в маленьком объеме топлива, горения которого бы не было разрушительным по масштабу. В 1972 году Джон Накколс из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса вместе с коллегами опубликовал в Nature статью , где описал главные черты установки для лазерного термоядерного синтеза и даже привел вычисления, касающиеся ее коммерческой эффективности. Главное преимущество лазера, писал Накколс и его соавторы, состоит в том, что он позволяет создать сверхвысокую плотность вещества, необходимую для зажигания термоядерной реакции.
Механические средства могут создать давление не более 106 атмосфер, этот предел задается прочностью химических связей. Взрыв химической взрывчатки может создать давление от 106 до 107 в центре имплозивного взрывного устройства. Но это еще далеко до нужных для инерциального синтеза параметров. Лазерное излучение может довести давление до 108 — 1011 атмосфер и даже выше. Работать это все должно было так: лазерные импульсы, несущие огромную энергию сразу со всех сторон, должны был испарять внешние слои сферической мишени размером в миллиметр, что вызывало бы схлопывание оставшейся части к центру. И там, в момент наибольшего сжатия, возникали бы условия для «зажигания» небольшой части смеси дейтерия и трития в центре мишени — от 2 до 5 процентов общей массы, которые разогревали бы оставшееся тело мишени. Но достичь успеха удалось не сразу.
В Китае уже утвержден проект постройки нового испытательного реактора следующего поколения Fusion Engineering. Воспроизвести процессы, идущие в сердцах звезд, — непростая задача. Наиболее распространенная конструкция термоядерных реакторов — токамаков — работает за счет перегрева плазмы.
Термоядерным реакторам требуются температуры во много раз выше, чем на Солнце, потому что они должны работать при гораздо более низком давлении.
В 1989 году была запущена 12-канальная установка "Искра-5" мощностью 120 ТВт, не имеющая аналогов в Европе и Азии по мощности ее превосходила лишь установка "Нова" в США. На комплексе, в основном, проводятся исследования с мишенями непрямого облучения. Направления этих исследований: лазерный термоядерный синтез, взаимодействие лазерного излучения с плотной плазмой, физические процессы в горячей и плотной плазме и магнитосферных бурях. Асимметрия создавалась нарушением однородности рентгеновского поля на поверхности сферически симметричной стеклянной капсулы. Проведенное сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами газодинамических расчетов сжатия центральных капсул по программе МИМОЗА-НД, с параметрами мишени и рентгеновского импульса, соответствующими эксперименту, позволяет констатировать качественное и количественное согласие между экспериментальными и расчетными данными в широком диапазоне изменения асимметрии рентгеновского поля. Наблюдается удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных значений нейтронного выхода во всем исследованном диапазоне сдвигов. Эти результаты показывают, что, несмотря на чрезвычайно широкий диапазон изменения характера газодинамического течения, наблюдается удовлетворительное согласие расчетного и экспериментального значений нейтронного выхода и времени сжатия капсулы с DT-газом. Впоследствии данная установка получила название "УФЛ-2M".
Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений физики высоких плотностей энергии. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Мишени прямого облучения представляют собой полую стеклянную или полимерную сферическую оболочку с высокой однородностью толщины, заполненную либо газообразной смесью дейтерий-тритий, либо дейтерием.
Это означает, что в результате синтеза было получено больше энергии, чем потребовалось от лазера для его начала», — указывается в сообщении Министерства энергетики США. Понятно, что без элементов PR здесь не обошлось. Но достижение американцев действительно весьма важное в физике экстремального состояния вещества. На основе принципа токамака строится международный экспериментальный термоядерный реактор ITER во Франции. Этот плазменный шнур удерживается должен удерживаться! 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.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский. все новости, связанные с понятием "Термоядерный синтез ". Регулярное обновление новостного материала. Зачем на самом деле строится самый большой термоядерный реактор. Некоторые физики считают применение гелия-3 в термоядерных реакторах неграмотным и настаивают на том, что все доводы в пользу этого элемента — обычная глупость. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции.
Искусственное солнце: как первый в мире термоядерный реактор изменит мир
В запущенном в Китае реакторе термоядерного синтеза использовалось достижение российских ученых, создавших устройство, отслеживающее температуру плазмы. все новости, связанные с понятием "Термоядерный синтез ". Регулярное обновление новостного материала. Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5.
Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
Как это сделать? Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного внутрь симметричного взрыва — имплозии — обычной взрывчатки. В 1978 году в письме в Nature физики из ядерного центра в Арзамасе-16 сообщали , что проводили такие эксперименты в 1955 и 1963 годах и достигли успеха — то есть смогли зафиксировать нейтроны, порожденные, по их мнению, термоядерной реакцией в тритиево-дейтериевой мишени. Но к тому моменту у ученых появился значительно более удобный, чем раствор нитробензола в тетранитрометане , инструмент — лазер. Лазерный пресс Один из изобретателей лазера Николай Басов в 1964 году вместе с коллегами опубликовал в ЖЭТФ статью , где рассматривал тонкости нагрева плазмы лазерным излучением, а уже через несколько лет рассказал о результатах первых экспериментов с мишенью из дейтерида лития и они увидел нейтроны, что могло свидетельствовать о термоядерной реакции. За океаном в то же время ходили похожие идеи. Например, американский «отец» водородной бомбы Эдвард Теллер в 1957 году обдумывал вариант взорвать термоядерное устройство в трехсотметровой полости в толще гранита для получения энергии. Это заставило его и его сотрудников искать ответы на два вопроса: каким может быть наименьший энергетический выход термоядерной реакции, который бы имел смысл для коммерческого использования, и какого уровня энерговыделения можно добиться, не используя для запуска реакции «ядерный запал». Эти вопросы через некоторое время привели их к мысли об использовании лазера — как способа концентрации энергии в очень небольшом пространстве, что позволяло бы достичь необходимых давлений и температур в маленьком объеме топлива, горения которого бы не было разрушительным по масштабу.
В 1972 году Джон Накколс из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса вместе с коллегами опубликовал в Nature статью , где описал главные черты установки для лазерного термоядерного синтеза и даже привел вычисления, касающиеся ее коммерческой эффективности. Главное преимущество лазера, писал Накколс и его соавторы, состоит в том, что он позволяет создать сверхвысокую плотность вещества, необходимую для зажигания термоядерной реакции. Механические средства могут создать давление не более 106 атмосфер, этот предел задается прочностью химических связей. Взрыв химической взрывчатки может создать давление от 106 до 107 в центре имплозивного взрывного устройства. Но это еще далеко до нужных для инерциального синтеза параметров. Лазерное излучение может довести давление до 108 — 1011 атмосфер и даже выше. Работать это все должно было так: лазерные импульсы, несущие огромную энергию сразу со всех сторон, должны был испарять внешние слои сферической мишени размером в миллиметр, что вызывало бы схлопывание оставшейся части к центру. И там, в момент наибольшего сжатия, возникали бы условия для «зажигания» небольшой части смеси дейтерия и трития в центре мишени — от 2 до 5 процентов общей массы, которые разогревали бы оставшееся тело мишени.
Но достичь успеха удалось не сразу. Любые неравномерности в обжатии мишени разрушали ее задолго до момента схлопывания к нужному размеру и достижения нужной плотности и температуры. Ученые подыскивали способы эффективнее обжимать топливные капсулы. Изначальная концепция нагрева и сжатия капсулы лазерами потребовала бы порядка 100 мегаджоулей, но физики придумали вариант, где разгоняющиеся внешние плотные слои из топливного льда сжимают газовую топливную смесь, разогревая ее ударной волной сжатия — такая концепция требовала уже 2-3 мегаджоуля, в 30 раз меньше! Параллельно ученые в попытке добиться инерциального конфайнмента пробовали и увеличить «массу молотка», то есть энергии, которая «вкачивалась» в мишень за один выстрел начав с единиц килоджоулей, физики к 1980-м пришли к энергиям в десятки, а то и сотню килоджоулей за выстрел , так и поменять саму схему эксперимента. В середине 1970-х годов физики решили поставить между лазерным излучением и мишенью посредника, то есть попробовать метод «непрямого воздействия». В этом варианте топливная капсула размером в миллиметр подвешивалась в центре небольшого золотого или свинцового сосуда, который получил название хольраум от немецкого Hohlraum, «пустое пространство, полость», термин взят из работ Макса Планка , посвященных излучению абсолютно черного тела. Детали их производства оставались в секрете до 1994 года.
Под действием излучения лазера внутренняя поверхность сосуда становилась источником рентгеновского излучения, которое и попадало в мишень, запуская термоядерную реакцию.
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.
Это крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор. Его используют для удержания физической плазмы магнитным полем. Он находится в Калхэмском центре термоядерной энергии в Великобритании. Все благодаря международной команде ученых и инженеров в Оксфордшире», — заявил министр ядерной энергетики и сетей Великобритании Эндрю Боуи.
Эти результаты показывают, что, несмотря на чрезвычайно широкий диапазон изменения характера газодинамического течения, наблюдается удовлетворительное согласие расчетного и экспериментального значений нейтронного выхода и времени сжатия капсулы с DT-газом. Впоследствии данная установка получила название "УФЛ-2M". Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений физики высоких плотностей энергии. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Мишени прямого облучения представляют собой полую стеклянную или полимерную сферическую оболочку с высокой однородностью толщины, заполненную либо газообразной смесью дейтерий-тритий, либо дейтерием. Диаметр сферы от 200 до 1000 мкм, толщина стенки 0,5—15 мкм, давление газа внутри оболочки 1—100 атм. На внешнюю поверхность сферы может быть нанесено какое-либо покрытие. Мишени непрямого облучения представляют собой мишень прямого облучения, заключенную в сферический или цилиндрический кожух диаметром 1—4 мм из металла с высоким атомным номером. Мишень для исследования уравнения состояния в лазерных экспериментах представляет собой базовую пластину из алюминия или меди толщиной 40—60 мкм, на одну из сторон которой нанесены в виде ступеньки слои из материала базы и исследуемого материала толщиной 4—10 мкм. Ступеньки отстоят друг от друга на расстоянии 50—100 мкм. Другая сторона мишени, на которую воздействовал лазерный импульс, покрывалась слоем полипараксилилена толщиной 8—10 мкм.