Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF).
«Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза
| : истории из жизни, советы, новости, юмор и картинки — Горячее | Пикабу | Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский. |
| Самая грандиозная научная стройка современности. Мы закуем Солнце в «бублик» | Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние. |
| Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить | На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора. |
| Зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика | Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. |
Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова
Несколько американских физиков заинтересовались теоретическими выкладками российского ученого, и начались «камерные» лабораторные эксперименты. Действие лабораторной термоядерной установки основано на эффекте акустической кавитации в специально подготовленной жидкости, подвергнутой воздействию акустической волны, образуется кластер мельчайших пузырьков, которые с огромной скоростью схлопываются. Все происходило в небольшом цилиндре с ацетоном, в котором ядра водорода были заменены ядрами дейтерия, имеющими в своем составе по дополнительному нейтрону. Ученые зарегистрировали поток нейтронов, вылетающих из камеры, где находился цилиндр с ацетоном. Это и появление ядер трития в облученном таким образом ацетоне — явные признаки термоядерной реакции. А в середине нулевых в одном из номеров журнала Physical Review Е оявилось сообщение группы физиков из двух американских институтов Окриджская национальная лаборатория, штат Теннесси, и Ренселлерский политехнический институт в Трое, штат Нью-Йорк о том, что им вторично удалось получить доказательства существования пузырькового термояда. Экспериментаторы «бомбардировали» цилиндр мощными звуковыми волнами и одновременно — высокоэнергичными нейтронами. В результате рождалось скопление воздушных пузырьков диаметром около миллиметра, то есть гораздо более крупных, нежели образуются при воздействии только звуковых волн. Схлопывание пузырьков нагревало дейтерированный ацетон до таких температур, при которых, утверждают физики, уже начинается термоядерная реакция — слияние двух ядер дейтерия в ядро трития с вылетом лишнего нейтрона. Кстати, о температурах.
Пузырьковый термояд иногда называют «холодным». Академик Роберт Нигматулин поясняет: «Вообще-то неправильно называть пузырьковый термояд разновидностью «холодного термоядерного синтеза». В центре пузырька, который испускает нейтроны, температура от 100 до 200 миллионов градусов Кельвина. Процесс длится доли пикосекунды 10—12 с. В общем, получается 500 тысяч нейтронов в секунду. Это много с точки зрения физики явления, но этого мало, чтобы это было термоядерным реактором». Как бы там ни было, по словам Роберта Нигматулина, он продолжает теоретические исследования в этой области и есть идеи, как повысить выход нейтронов в пузырьковом термояде. Нет денег на проведение экспериментов. Как отмечал польский философ и футуролог Станислав Лем в своем трактате «Сумма технологий» 1964 , «Без сомнения, ученым придется сначала «воспитать» целое поколение руководителей, которые согласятся достаточно глубоко залезть в государственный карман, и притом для достижения целей, столь подозрительно напоминающих традиционную тематику научной фантастики».
Пузырьковому термояду в этом смысле не повезло: до него додумались, когда основные государственные бюджеты уже были поделены между токамаками и лазерным термоядом. В любом случае отметим еще раз этапное достижение ученых, полученное на установке NIF. Пусть и локально, но превышение выработанной энергии над затраченной продемонстрировано экспериментально.
Главные новости сегодняшнего дня Новости 9 ноября. На термоядерной установке в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, США за несколько месяцев энергопроизводительность выросла в 8 раз. Стартап Helion Energy планирует запустить энергоэффективную установку термоядерного синтеза в 2024 году. Владимир Губайловский Схема установки Trenta. Helion energy Самый экологичный способ получения ядерной энергии — это термоядерный синтез.
Но он начинается при температуре и давлении, примерно таких, как в недрах Солнца. Создать такие условия на Земле совсем непросто, но есть надежда, что все получится Самый знаменитый проект получения термоядерной энергии — это международный проект ИТЭР. Россия принимает в нем самое активное участие. Это — огромная установка, чья стоимость сегодня оценивается в 22 млрд евро. Чтобы запустить процесс на ИТЭР, плазму надо разогреть в токамаке — огромной полой баранке, где высокотемпературную плазму «держат на весу» мощные сверхпроводящие магниты.
Лоуренса в результате реакции термоядерного синтеза впервые получили больше энергии, чем потребовалось на ее запуск. Министерство энергетики США и Национальное управление по ядерной безопасности NNSA на пресс-конференции 13 декабря назвали это научным подвигом, к которому ученые шли несколько десятилетий. Термоядерный синтез — реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромного количества энергии. Неуправляемая взрывная форма такой реакции происходит внутри звезд. В 1950—1960-х годах ученые предположили, что для получения термоядерной энергии необходимо использовать лазеры.
Таким образом, в течение 100 лет радиоактивность материалов уменьшится настолько, что их можно будет переработать и в дальнейшем использовать на других термоядерных установках. ИТЭР находится в области с умеренной сейсмической активностью, однако строится из специально армированного бетона и опирается на плиты, рассчитанные на землетрясения; сейсмические датчики вокруг площадки контролируют даже незначительную сейсмическую активность. В дизайн проекта ИТЭР заложены несколько защитных барьеров: корректный выбор надежных современных материалов поможет минимизировать количество отходов будущих термоядерных реакторов; системы активного плазменного отключения, быстрого разряда и отвода тепла, а также сейсмический контроль не допустят аварии; специальная система вентиляции и пониженное давление в здании реактора предотвратят утечку трития и распространение радиоактивной пыли за пределы здания. Академик Арцимович говорил: как только приспичит человечеству, тут же термояд и сделают. Пока, значит, не приспичило. Мой ответ другой: в 2054 году.
В 1954 году запустили первую АЭС, а мы любим отмечать юбилеи с размахом. Термоядерная энергетическая установка будет более безопасной, чем современные ядерные, — нет критмассы. Но хватает своих проблем. Скорее всего, не будет сразу чистого термояда, вначале плазменные термоядерные установки используют как внешний источник нейтронов, который будет нарабатывать топливо из 238U или тория. Эта технология должна быть разработана с учетом современных требований к безопасности ядерных объектов. DEMO: перспективы Если проект ИТЭР покажет перспективные рабочие показатели по достижению, а главное — удержанию «чистой» плазмы, следующим этапом на пути к термоядерному будущему станет строительство промышленного демонстрационного реактора DEMO с запланированной мощностью всей станции около 3 ГВт.
DEMO позволит распахнуть двери в мир промышленной и коммерческой эксплуатации термоядерной энергии. Скептики продолжают задаваться вопросом: а стоит ли овчинка выделки? Очевидно, что вложения и затраты на электроэнергию термоядерных электростанций будут значительно выше вложений в существующие АЭС — несмотря на то что стоимость топлива будет минимальной. Причина — высокая стоимость замены поврежденных ядерных компонентов. Тепловая и нейтронная нагрузки ядерных компонентов будут настолько сильными, что срок службы некоторых ядерных элементов можно будет оценить от 4,5 до 10,5 лет — значительно короче срока службы типичной АЭС 40 лет. В начальный период эксплуатации это приведет к тому, что цена электроэнергии от термоядерных электростанций будет сопоставима с ценой электроэнергии от солнечных и ветряных станций.
При этом производство электроэнергии высокой мощности не будет зависеть от времени года или погоды, и не нужно будет поддерживать резервные ископаемые ресурсы. Для выработки электроэнергии от коммерческого термоядерного синтеза электростанция должна быть проще и бюджетнее, чем ИТЭР. Дизайн компании основан на конфигурации с обратной поляризацией, сочетающей особенности основных термоядерных концепций. В отличие от других устройств термоядерного синтеза, таких как токамак, обратная поляризация обеспечивает топологию магнитного поля, при которой осевое поле внутри реактора изменяется вихревыми токами в плазме. Корпорация EMC2 Inc. Финансирование проекта по термояду должно отражать эти и иные альтернативные ноу-хау.
В целом у термоядерных проектов неплохие шансы стать самым чистым и доступным источником энергии, учитывая неисчерпаемое и дешевое топливо, ядерную безопасность и минимальное воздействие на окружающую среду. Гибридный синтез Пока ведутся дискуссии на тему: быть термояду или нет — звучат предложения рассмотреть вариант гибридной установки, которая может стать разумным компромиссом. Идея не нова, она обсуждалась еще на заре освоения ядерных технологий, но после серьезных аварий от нее отказались в пользу развития «чистой» энергии от термоядерного синтеза без нарабатываемых делящихся материалов. Концепция гибридного синтеза призвана уравновесить преимущества и недостатки двух парадигм ядерной генерации: цепная реакция обеспечивает выход огромного количества энергии за один акт деления, в то время как термоядерный синтез, порождая энергию в меньшем объеме, приводит к образованию нейтронов без инициации цепной ядерной реакции.
Ученые в США провели третий успешный эксперимент с ядерным синтезом
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. В результате был преодолён порог «зажигания», как называют его учёные — когда энергия, произведённая синтезом, превысила энергию запустивших реакцию лазеров. О первых успехах учёные отчитались в 2014-м, однако производимая тогда реакцией энергия была крохотной — примерно столько потребляет 60-ваттная лампочка за пять минут.
Это открывает невероятные перспективы, в теории позволяя обеспечить человечество почти неисчерпаемым источником энергии. Источник изображения: Lawrence Livermore National Laboratory Ещё с 1950-х годов прошлого века физики мечтали использовать термоядерный синтез для получения энергии, но прежде не получалось добыть больше энергии, чем затрачивалось на запуск реакции синтеза. Это могло бы стать альтернативой как обычным атомным электростанциям, работающим наоборот за счёт расщепления атомов, так и углеводородному топливу и, конечно, избавиться от вредных выбросов в атмосферу. В Ливерморской национальной лаборатории воспроизвели т. Эксперимент проходил в минувшие две недели.
В Министерстве энергетики США уже назвали результаты эксперимента «крупным научным прорывом».
Принципиально важной станет проверка концепции использования вольфрама в качестве материала для диверторных пластин — как самого тугоплавкого металла — в условиях ожидаемых на ИТЭРе огромных потоков энергии. Напомним, что наилучшие режимы удержания плазмы получены сегодня при использовании покрытий с низким зарядовым числом атомов в составе покрытия — углерода и бериллия; в ИТЭРе этими материалами будет покрыта первая обращённая к плазме стенка вакуумной камеры. Вопрос о том, будут ли и в каком количестве ионы вольфрама поступать в основную плазму, снижая её температуру за счёт излучения, может быть окончательно решён только в ходе экспериментов на ИТЭРе. Начиная с 2016 г.
В августе 2020 г. Это событие стало предметом пристального внимания со стороны масс-медиа и заслужило ряд приветственных обращений высшего политического руководства стран — участников проекта. Отметим, что в случае соблюдения действующего ныне графика строительства, выполнения всеми сторонами своих обязательств и преодоления последствий пандемии 2020—2021 гг. По мнению авторов, основные проблемы вполне понятны и могут быть поименованы. Во-первых, это колоссальная технологическая сложность самого устройства, которая особенно ясно проявилась в проекте ИТЭР.
Протекающий по плазме токамака электрический ток в тороидальном магнитном поле обеспечивает как формирование итоговой магнитной конфигурации, являющейся идеальной ловушкой для удержания частиц плазмы, так и нагрев этой плазмы. Однако для длительного устойчивого удержания плазмы термоядерных параметров требуется множество инженерных систем, создание которых находится на пределе имеющихся технологических возможностей. Так, например, стационарность требует сверхпроводимости магнитных обмоток; при этом на стенку камеры и в дивертор идут колоссальные потоки тепла. Понятно, насколько серьёзными должны быть инженерные решения, обеспечивающие такое соседство. Другой пример связан с необходимостью создания мощных источников высокоэнергичных нейтральных атомов — речь идёт о нескольких мегаваттах мощности при энергии в сотни и даже тысячи килоэлектронвольт в ИТЭРе два таких источника суммарной мощностью 33 МВт должны выдавать потоки МэВных 4 4 частиц в течение часа; ранее таких источников просто не существовало!
Во-вторых, это достаточно очевидная проблема длительного поддержания тока. Униполярный электрический ток, наводимый в тороидальной плазме при помощи индуктора, не может существовать вечно с электротехнической точки зрения токамак представляет собой трансформатор с одновитковой вторичной обмоткой — плазмой. Сегодня предложено и экспериментально проверено несколько способов неиндукционного поддержания тока, среди которых уже упомянутая инжекция пучков быстрых нейтральных атомов. Можно использовать и ввод обладающих компонентой импульса в тороидальном направлении электромагнитных волн различного диапазона: электронного циклотронного, нижнегибридного, а также свистового волны-геликоны. Весьма интересен и крайне важен так называемый бутстрэп-эффект bootstrap , заключающийся в формировании анизотропной функции распределения заряженных частиц неоднородной плазмы в магнитной конфигурации токамака эффект связан с тороидальной геометрией токамака и в цилиндре отсутствует.
Точно так же большинство физических вопросов, казавшихся непреодолимыми на начальном этапе работ по УТС, таких как управление равновесием, многочисленные неустойчивости, аномальные процессы переноса, сегодня решены на практическом уровне. В конечном счёте наиболее принципиальной сегодня можно считать задачу устранения негативного воздействия стенки, ограничивающей разряд, и других взаимодействующих с плазмой элементов. Проблема взаимодействия плазма—стенка для УТС двоякая. С другой стороны, существует обратное влияние на плазму.
Для этого ученым необходимо обеспечить стабильное "зажигание", которое выводит реакцию на самоподдерживающийся уровень. Физики потратили более десяти лет на создание технологии воспламенения термоядерной реакции, и в августе 2021 года они смогли успешно провести эксперимент.
Чтобы добиться эффекта "зажигания", команда поместила капсулу с тритиевым и дейтериевым топливом в центр облицованной золотом камеры с обедненным ураном и направила на нее 192 высокоэнергетических рентгеновских луча. В этих условиях атомы водорода подверглись слиянию, выделяя 1,3 мегаджоулей энергии за 100 триллионных долей секунды, что составляет 10 квадриллионов ватт мощности.
Академик В.П. Смирнов: термояд — голубая мечта человечества
Такая установка разрабатывается в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе, США. Научный комплекс National Ignition Facility NIF за несколько миллиардных долей секунды усиливает и фокусирует 192 мощных лазера на мишени размером несколько квадратных сантиметров. Температура мишени превышает 100 миллионов градусов, давление — 100 миллиардов атмосфер. Этого достаточно, чтобы началась термоядерная реакция. 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.
Это замечательный, глубокий ученый. Нам всем повезло, что приходит следующее поколение высокого уровня.
Когда вы сюда пришли, все здесь только разворачивалось. Вы участвовали в создании установки «Ангара 5-1», на фоне которой мы сейчас разговариваем. Расскажите, пожалуйста, для чего создавался этот институт, какие цели и задачи перед ним ставились? Здесь была создана магнитная лаборатория, задача которой состояла в проведении исследований, связанных с размагничиванием военных кораблей. 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.
Рождения героя После нескольких промежуточных установок поменьше, в 1997 году США запустили строительство гигантской лазерной установки NIF стоимостью около 2 миллиардов долларов, которая должна была продемонстрировать работоспособность концепции и так называемый breakeven — равенство или превышение выхода термоядерной энергии над энергией лазеров, которая по проекту должна была составить 1,8 мегаджоуля. Проблемы NIF, как прототипа термоядерной электростанции, были видны еще до начала строительства — даже если бы 1,8 мегаджоуля термоядерной энергии получалось бы в каждом выстреле, затраты энергии «из розетки» все равно составляли бы скорее 500 мегаджоулей, а количество выстрелов не превышало бы 2-3 в сутки. Кроме того, мишени для NIF представляли собой произведение криогенного ювелирного искусства: капсула миллиметрового размера и сверхточной формы наполняется топливом при температуре 15 кельвин и поддерживается при этой температуре в процессе помещения в установку и до момента эксперимента. Ну и разумеется, никакой энергоустановки в проекте предусмотрено не было, термоядерное тепло просто рассеивалось через градирни. В реальности все оказалось еще скромнее.
Установка произвела первые полноценные выстрелы в 2010 году и вместо мегаджоулей термоядерной энергии ученые увидели сотни джоулей. Три года непрерывных усилий по совершенствованию установки привели к первому breakeven — выходу около 15 килоджоулей термоядерной энергии, что было больше, чем сообщали рентгеновского тепла стенки сосуда с капсулой. Однако это было далеко от того, что обещали до начала строительства NIF. Впрочем, основного заказчика этой установки все устраивало. Дело в том, что условия, создающиеся в топливной капсуле и хольрауме очень похожи на то, что происходит в термоядерном боеприпасе в момент срабатывания.
И изначально NIF создавался как большой стенд для верификации нового поколения программ, симулирующих поведение ядерного оружия, а энергетическое направление было приятным бонусом, на который выделялось меньше трети фондирования. Но команда термоядерщиков LLNL продолжала совершенствовать режимы работы лазеров, конструкцию хольраума и капсулы. Вместе это позволило поднять симметричность и стабильность сжатия капсулы, побороть лазерно-плазменные неустойчивости на хольрауме, увеличить эффективность передачи энергии от лазеров на хольраум и от хольраума на сжатие капсулы. Как работает NIF Специально профилированный во времени затравочный импульс «мастер-лазера» расщепляется на 192 луча, каждый из которых проходит 4 раза через 192 усилителя лазерного излучения и направляется на систему преобразования частоты, где исходное инфракрасное превращается в рабочий ультрафиолет. Через систему фокусировки 192 луча с точностью в 10 микрон проходят через окна в хольрауме, попадая на его внутренние стенки, за 10 наносекунд разогревая их до 3 миллионов градусов.
Сфера с топливом, «купаясь» в излучаемом хольраумом рентгеновском излучении начинает испаряться снаружи, а реактивная сила отдачи начинает сжимать внутренние слои к центру симметрии капсулы. Примерно за 2 наносекунды при давлении в 200 миллиардов атмосфер размер сферы уменьшается в 30 раз, а плотность топлива возрастает до 1000-1300 грамм на кубический сантиметр — примерно в 100 раз плотнее свинца. В момент максимального сжатия, в разогретой центральной части начинается термоядерная реакция, которая, как пожар, распространяется от центра к периферии. 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.
Исследователи все еще сталкиваются с рядом технических проблем, чтобы собрать воедино условия, необходимые для контролируемого и экономически эффективного ядерного синтеза. Плотность плазмы — одно из важнейших условий для воспроизведения реакции. Чем плотнее материал, тем большее количество горючих частиц он содержит, что повышает вероятность термоядерного синтеза. В ядерных реакторах типа токамак эта плотность ограничена. Однако в ходе недавнего эксперимента ученым из General Atomics компании, специализирующейся на ядерной физике удалось увеличить плотность плазмы, как никогда ранее, без ущерба для ее удержания. Подробности были опубликованы в журнале. Преодоление предела Гринвальда Теоретический предел, определяющий максимальную плотность плазмы, достижимую в реакторе токамак, известен как "предел Гринвальда".
ядерная физика
Американские физики утроили энергетическую эффективность экспериментального термоядерного реактора NIF. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. 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. Двигатель на термоядерной тяге разгонит космический корабль до 800 000 километров в час. Пара слов о физике плазмы: на волне Волна боянов, Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
Проект разрабатывается с середины 1980-х годов, закончить строительство главной конструкции планируют в 2025 году. В готовом виде токамак ИТЭР будет представлять собой 60-метровое сооружение массой 23 000 т. Знаете, почему термоядерный реактор не могут построить уже 50 лет? Hi-Tech Mail.
Для исправления ситуации требовалось увеличить магнитное поле. В итоге все три «ушли» на модернизацию до 2016—2017 годов. Однако после перерыва, в 2018 году, запустить свой токамак удалось только ученым из Санкт-Петербурга. Их обновленный «Глобус» стал называться «Глобусом-М2».
Конечно, это меньше, чем на большом торе у европейцев, но их показатели нельзя сравнивать из-за небольших размеров нашего «Глобуса», который имеет диаметр всего 36 сантиметров диаметр JET — около 3 метров. На «Глобусе-М2» мы пытаемся проверить правильность выбора сферической формы для термоядерного реактора, понять, будет ли у него преимущество по удержанию плазмы, будет ли он превосходить классический тор по энергозатратам. Но у него будет ряд принципиальных отличий. Прежде всего из-за увеличенных размеров качественно изменятся параметры плазмы. Кроме того, будут впервые испытаны в таком масштабе сверхпроводящая магнитная система, новые системы дополнительного нагрева плазмы и многое другое. И есть подозрение, что у них это получится быстрее, чем у международного консорциума. Кто в итоге выживет, это пока вопрос.
Скорей всего, термоядерный реактор будет построен на базе классического токамака. Но для сферических токамаков может найтись своя ниша, а их коммерческое применение может начаться гораздо раньше. Гибридные технологии Как выяснилось, мало нашим физикам-ядерщикам сферической модернизации термоядерного реактора. Сейчас, по словам Минаева, в нашей стране параллельно запускается процесс разработки и создания гибридной электростанции, основанной на термоядерной и ядерной технологиях. Это позволит эффективней удерживать плазму? Мы хотим за счет термоядерных технологий решить проблему с «замыканием» ядерного топливного цикла. Представляете, мы сможем нарабатывать искусственное топливо для атомных реакторов, получать в реакторе энергию, а после дожигать отработанное топливо до безопасного состояния, чего раньше никогда не было.
До сих пор мы просто захоранивали ядерные отходы, накапливая их. В целом новая гибридная атомная станция будет значительно безопасней и экологичней. Отсутствие большого количества опасных отходов также позволит повысить экспортный потенциал нашей атомной промышленности. Развивая эту технологию, мы оставим своим потомкам более чистую планету, без залежей ядерных отходов. Мы будем использовать термоядерный реактор как мощный источник нейтронов для получения ядерного топлива. При этом параметры плазмы в таком термоядерном источнике нейтронов могут быть существенно ниже, чем в чисто термоядерном энергетическом реакторе, а размеры — существенно меньше, чем у того же ИТЕРа. Следовательно, такой реактор-источник будет значительно дешевле.
Но самое главное: реализация гибридной концепции позволит существенно сократить время, требующееся для внедрения уже наработанных термоядерных технологий в коммерческий оборот. Существует еще и открытый тип реактора — зеркальные ловушки, или, образно говоря, «магнитные бутылки», имеющие на концах магнитные «пробки» или магнитные «зеркала».
Наличие ряда предшествующих обзоров [ 2 — 4 ], описывающих состояние и перспективы УТС, оправдывает краткость изложения позиции авторов в настоящей статье. МЫ БЫЛИ ПЕРВЫМИ В условиях ограниченности ресурсов, выделяемых на научно-технологическое развитие, для крупных корпораций или целых стран неизбежна постановка вопроса о выборе приоритетов, решаемого зачастую волевым образом или посредством лоббирования. Более подробно позиция авторов о роли и месте прикладной науки изложена в статье [ 5 ]; здесь же отметим, что термоядерные исследования в России с использованием токамаков вполне соответствуют вышеуказанным критериям. Не углубляясь в историю отечественных термоядерных исследований, неоднократно описанную с разной степенью детализации см. К этим экспериментально проверенным достижениям, впоследствии взятым на вооружение во всём мире, следует добавить широко признанные теоретические разработки, лёгшие в основу современной теоретической физики высокотемпературной плазмы. Прогресс, достигнутый в результате многолетних исследований на токамаках, не следует недооценивать. Достижение всех необходимых для реализации УТС значений параметров 2 сегодня продемонстрировано экспериментально, но, к сожалению, в разных экспериментах табл.
Полученные значения тройного произведения более чем в 1000 раз превышают данные середины 70-х годов прошлого века, когда стартовали первые крупные токамаки с дополнительным нагревом плазмы 3 3. И то, и другое сопряжено с существенным удорожанием установки. Именно на реализацию проекта ИТЭР в последнее десятилетие были направлены основные усилия мирового термоядерного сообщества. При этом большинство участников вполне плодотворно использовали добытые общими усилиями при проектировании ИТЭРа знания и технические решения в своих национальных программах. И наоборот, данные, получаемые в ходе исследований, выполняемых национальными командами, анализируются и учитываются в проекте ИТЭР. Отметим, что планируемые режимы работы ИТЭРа основаны на довольно консервативных представлениях и достаточно обоснованы предшествующими экспериментами [ 9 ]. Вместе с тем ИТЭР — это качественный скачок в токамакостроении. Для примера: объём плазмы ИТЭРа равен 840 м3, что более чем в 10 раз превосходит объём плазмы самого крупного из действующих токамаков — токамака JET. Строительство и запуск ИТЭРа призваны продемонстрировать работоспособность идеологии, позволяющей создать на базе токамака термоядерный энергетический реактор.
Основной задачей экспериментов на ИТЭРе будут отработка и испытание важнейших технологий и компонентов реактора. Принципиально важной станет проверка концепции использования вольфрама в качестве материала для диверторных пластин — как самого тугоплавкого металла — в условиях ожидаемых на ИТЭРе огромных потоков энергии. Напомним, что наилучшие режимы удержания плазмы получены сегодня при использовании покрытий с низким зарядовым числом атомов в составе покрытия — углерода и бериллия; в ИТЭРе этими материалами будет покрыта первая обращённая к плазме стенка вакуумной камеры. Вопрос о том, будут ли и в каком количестве ионы вольфрама поступать в основную плазму, снижая её температуру за счёт излучения, может быть окончательно решён только в ходе экспериментов на ИТЭРе. Начиная с 2016 г. В августе 2020 г. Это событие стало предметом пристального внимания со стороны масс-медиа и заслужило ряд приветственных обращений высшего политического руководства стран — участников проекта.
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. 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».
Новый термоядерный рекорд: китайский токамак удерживал плазму 403 секунды
Американские физики утроили энергетическую эффективность экспериментального термоядерного реактора NIF. Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза. Когда говорят о термоядерных исследованиях и пытаются объяснить назначение сложнейших систем того же ИТЭР, приводят для сравнения процессы внутри Солнца и других звезд. Американцы совершили прорыв в изучении термоядерной энергии. Ученые развивали идею термоядерного синтеза с инерционным удержанием в лаборатории в течение почти 60 лет, пока впервые достигли успеха.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
Американцы совершили прорыв в изучении термоядерной энергии. «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного. В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных. И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире. Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
Поначалу Фукса курировал секретарь советского военного атташе С. Фукс работал исключительно из идейных соображений, на предложение о получении денег от СССР ответил категорическим отказом и попросил более никогда с ним на эту тему не разговаривать. В декабре 1943 года, по рекомендации Пайерлса и Роберта Оппенгеймера, Фукс с группой других учёных был включён в состав участников американского «Манхэттенского проекта» и прибыл в США. Там в феврале 1944 года с Фуксом была установлена новая связь через связника Гарри Голда, коммуниста из семьи украинских евреев, которому Клаус передавал важную информацию, касающуюся своей части исследовательской работы по «Манхэттенскому проекту».
Однако во второй половине 1944 года связь оказалась прервана: Фукс был переведён в Лос-Аламосскую лабораторию со строжайшими мерами секретности. Там он работал в группе Ганса Бете и добился выдающихся научных результатов. Восстановить связь советской разведке удалось только в январе 1945 года, до конца года состоялись три встречи, на которых Фукс передал исключительно важную информацию как о ходе работ, так и о первом испытании атомной бомбы, в котором он лично участвовал.
Читайте также В Суоми решили исключить из истории Ленина, чтобы снова стать чьим-то областным центром? Финляндия тонко намекает, что может вновь стать частью Российской Империи В 1945—1946 годах Фукс участвовал в теоретических работах по разработке водородной бомбы, в анализе результатов применения атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки, в разработке программы исследований со взрывами атомных бомб на атолле Бикини. В июле 1946 года с другими британскими участниками проекта вернулся в Великобританию, где стал начальником отдела теоретической физики Научно-исследовательского атомного центра в Харуэлле.
С 1947 года связь с Фуксом вёл заместитель резидента по технической разведке А. Феклисов, которому Фукс передал информацию о производстве плутония в США, о реакторах британского атомного центра в Уиндскейле, принципиальную схему водородной бомбы, результаты испытаний ураново-плутониевой бомбы на атолле Эниветок, данные о британо-американском атомном сотрудничестве и многое другое. Между тем над головой Клауса начали сгущаться тучи.
Среди выданных Гузенко оказался и британский физик-ядерщик Алан Мэй. Он был арестован в марте 1946 года, а уже 1 мая того же года приговорён к 10 годам каторжных работ. Предъявить что-либо конкретное Фуксу британская контрразведка не могла, но за ним была установлена открытая слежка.
Фукса допрашивал лучший британский следователь из МИ-5 — Скардон, тот самый, который пытался расколоть и некоторых членов Кембриджской пятёрки.
В Китае и Германии достигнуты новые прорывные результаты в области управляемого термоядерного синтеза Китайский токамак EAST 14 апреля 2023 656 12 апреля 2023 года китайский токамак EAST сокращение от «experimental advanced superconducting tokamak» - экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак , установил новый мировой рекорд длительности удержания плазмы с параметрами, необходимыми для термоядерного синтеза. Нынешний рекорд составил 403 секунды чуть менее 7 минут. Предыдущий рекорд был установлен на том же EAST в 2017 году и составлял 101 секунду.
К примеру, 55 миллионов километров - расстояние между Землей и Марсом — он мог бы преодолеть меньше, чем за трое суток. В два раза быстрее, чем поезд идущий от Москвы до Владивостока. Принципиальная схема термоядерного двигателя Основа двигателя камера длиной в 8 метров с магнитными ловушками — в ней будет разогреваться и удерживаться от контакта со стенками термоядерная плазма. Топливо — Дейтерий и Гелий-3. Оно самое перспективное с энергетической точки зрения.
Прототип реактора выделил в полтора раза больше энергии, чем было потрачено. 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.
Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М. Росатом поддержит популяризаторов ядерной физики во Всероссийской премии «За верность науке». Поговорим о том, зачем люди пытаются создать Солнце на Земле, или что такое термоядерная энергетика — новости от эксперта в мире энергетики, онлайн-журнала «Энергия+».