На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора. Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике.
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире. Все самое интересное и актуальное по теме "Ядерная физика". Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. Учёные из США впервые сгенерировали больше энергии в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет топливная капсула, в которой запускается слияние.
Главные новости
- «Повторение ошибок»
- Термоядерный синтез - что это такое, токамак, синтез, изучение, проблемы, трудности, эксперименты
- Физики США вторично добились положительного термоядерного синтеза
- Эра термоядерного синтеза
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
Рыночные перспективы появления почти неограниченной и почти бесплатной энергии оценивает экономист Сергей Хестанов: Сергей Хестанов советник по макроэкономике генерального директора компании «Открытие инвестиции» «Естественно, если удастся создать работоспособный реактор, работающий за счет ядерного синтеза, это буквально обвалит спрос на энергетические товары, то есть на энергетический уголь. В меньшей степени это затронет рынок нефти. Газ и нефть в значительной мере потребляются не для сжигания, а для разного рода синтетических процессов. Соответственно, эта часть спроса сохранится. А вот энергетический уголь пострадает довольно сильно. Но пока стадия, в которой находятся исследования, не позволяет сделать надежных выводов.
Если действительно реактор, работающий на ядерном синтезе, удастся технически реализовать, это будет огромный прорыв. Это сильно изменит мировую экономику. Причем очень сильно.
Ученый физического факультета Томского госуниверситета Михаил Егоров выясняет, для каких реакций и при каких энергиях и температурах выделяющаяся полезная энергия может превышать энергетические потери, связанные с движением заряженных частиц.
С использованием точных методов квантовой механики он вычислит сечения наиболее интересных с прикладной точки зрения термоядерных реакций синтеза.
Европейский союз ответственен за вакуумную камеру, однако для оптимизации проекта и минимизации задержек часть работ была поручена Корее, которая продемонстрировала высочайший уровень собственных технологий, запустив токамак со сверхпроводящей магнитной системой KSTAR Korean Superconducting Tokamak Advanced Research , получивший первую плазму в 2008 году, и продемонстрировав рекордную 70-секундную высокопроизводительную плазму в 2016 году. Китай вместе с Россией работают над созданием сверхпроводников, первая поставка которых была осуществлена в июне 2014 года. Шесть кольцеобразных полоидальных магнитов с полевой катушкой будут окружать машину ИТЭР для формирования плазмы и обеспечения ее стабильности путем отстранения от стенок вакуумного реактора. Россия отвечает за широкий спектр электротехнических компонентов, из которых состоят коммутационные сети, блоки быстрого разряда, комплекты поставки измерительной аппаратуры. Налажено производство сборных шин и переключающих сетевых резисторов, завершается программа НИОКР для компонентов блока быстрой разгрузки.
Японские инженеры и ученые также работают над магнитной системой, в частности, над дизайн-проектом катушек тороидального поля и над получением сверхпроводящих ниобий-оловянных стрендов. Получение первой плазмы на установке ИТЭР запланировано на 2025 год, выход на полную мощность — на 2035 год. Недавно о желании присоединиться к проекту заявили Австралия и Иран. Это еще одна из важнейших задач, которую должен решить ИТЭР. Кстати, бланкет и дивертор — основные плазменные компоненты. Следует отметить, что первая стенка реактора, та, что ближе всего к плазме, всего в трех метрах от нее, — неотъемлемая часть бланкета.
Идея разделения этих двух компонентов была отброшена в 1980-х годах; ученые пришли к их унификации для удобного и безопасного обслуживания. Бланкет со встроенной наработкой трития и интегрированной первой стенкой реактора обеспечит защиту от высокоэнергетических нейтронов. В ИТЭР первая стенка будет изготовлена из бериллия, а для остальной поверхностной структуры будут использоваться высокопрочные медные сплавы и нержавеющая сталь. Для удобства обслуживания защитная стенка внутри реактора модульная, состоящая из 440 сегментов. Дивертор от англ. Его главная функция — минимизировать плазменное загрязнение, а также отводить тепловые и нейтронные нагрузки от стенок реактора.
Дивертор будет состоять из 54 кассетных сборок с опорной конструкцией из нержавеющей стали, бронированной вольфрамовыми плитками. Три главных плазменных звена: внутренняя и внешняя вертикальные мишени, центральный купол — составляют диверторную сборку. И для дивертора, и для бланкета будет внедрена система охлаждения, отводящая тепло от этих устройств и преобразовывающая его в электрическую энергию. Вид вакуумного сосуда с основными положениями компонентов, обращенных к плазме: первой стенки, бланкета и дивертора Рис. Вид в поперечном разрезе основных компонентов стенки токамака Рис. Схематическое изображение диверторного узла Осторожно, «горящая плазма»!
Один из важнейших критериев проекта — безопасность. При осуществлении термоядерного синтеза не инициируется цепная реакция, а значит, при любом нарушении или прекращении подачи топлива плазма охлаждается в течение нескольких секунд и затухает, словно пламя. Тритий, содержащийся в топливе, будет вырабатываться в замкнутом контуре, поэтому должны строго соблюдаться меры безопасности при обращении с тритиевым топливом внутри реактора. Тритий — слабый бета-излучатель, он не проникает в человеческую кожу, но очень токсичен для организма при попадании через дыхательные пути. ИТЭР был разработан для защиты от выброса трития и воздействия радиоактивности на работников.
Для деионизации ион проходит через ячейки, наполненные газом. Здесь ион, захватывая электрон у молекул газа, рекомбинирует. Не успевшие рекомбинировать ядра дейтерия отклоняются магнитным полем на специальную мишень, где тормозятся, рекомбинируют и могут быть использованы вновь. Требования к мощности «фабрики атомов» ITER настолько велики, что на этой машине впервые пришлось применить систему, которой не было на предшествующих токамаках.
Это система отрицательных ионов. На таких высоких скоростях положительный ион просто не успевает превратиться в нейтральный атом в газовых ячейках. Поэтому используются отрицательные ионы, которые захватывают электроны в специальном радиочастотном разряде в среде плазмы дейтерия, экстрагируются и разгоняются высоким положительным потенциалом 1 МВ по отношению к источнику ионов , затем нейтрализуются в газовой ячейке. Оставшиеся заряженными ионы отклоняются электростатическим полем в специальную охлаждаемую водой мишень. При потреблении примерно 55 МВт электроэнергии, каждый из двух планируемых на ITER инжекторов нейтральных атомов способен вводить в плазму до 16 МВт тепловой энергии. Криостат[ править править код ] Криостат [30] [31] — самый большой компонент токамака. Внутри криостата будут располагаться остальные элементы машины. Криостат, помимо механических функций опора деталей токамака и их защита от повреждений будет выполнять роль вакуумного «термоса», являясь барьером между внешней средой и внутренней полостью. Для этого на внутренних стенках криостата размещены тепловые экраны, охлаждаемые азотным контуром 80 К.
Криостат имеет множество отверстий для доступа к вакуумной камере, трубопроводов системы охлаждения, фидеров питания магнитных систем, диагностики, дистанционного манипулятора, систем нагрева плазмы и других. Доставить сборку таких размеров целиком тяжело и дорого, поэтому было принято решение конструктивно разбить криостат на четыре крупных фрагмента поддон, две цилиндрические обечайки и крышка. Каждый из этих фрагментов будет собираться из более мелких сегментов. Всего сегментов 54. Их производством занята Индия. Затем фрагменты, после сборки в Здании криостата, по очереди будут перемещены и установлены на место — в шахту реактора [33]. Для снижения влияния нейтронного излучения токамака на окружающую среду криостат будет окружён «одеялом» из специального бетона, которое называют «биозащита» англ. Толщина биозащиты над криостатом составит 2 м. Эти выступы на сайте ITER называют «короной» «crown».
Арматура элементов короны имеет очень сложный макет; для приготовления бетона будет использован гравий , добываемый в Лапландии [34]. Control, Data Access and Communication — управление, доступ к данным и связь является основной системой управления при эксплуатации ИТЭР-токамака. В настоящий момент команда проводит консультации с ведущими институтами и привлечёнными компаниями в целях принятия наилучших технических решений для ИТЭР. Central Safety Network — Сеть централизованной защиты ; терминалы; датчики. Организационно вся система управления делится на следующие подразделения: Центральный контроль и автоматизация, мониторинг и обработка данных Central supervision and automation, monitoring and data handling. Отображение данных и управление HMI англ. Human Maсhine Interface.
«Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза
Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР. познакомьтесь с новейшими разработками, впечатляющими функциями и глубоким анализом ядерной физики. В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных.
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя
В отличие от другого использования атома — выделение из него энергии в ядерных реакторах в процессе распада — термоядерный синтез на бумаге практически не будет оставлять радиоактивных побочных продуктов. 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.
Его решили строить на юге Франции возле города Экс-ан-Прованс. Так что же такое ITER? Это огромный научный эксперимент и амбициозный энергетический проект по строительству самого большого токамака в мире. Сооружение должно доказать возможность коммерческого использования термоядерного реактора, а также решить возникающие физические и технологические проблемы на этом пути.
Из чего состоит реактор ITER? Токамак — это тороидальная вакуумная камера с магнитными катушками и криостатом массой в 23 тыс. Как уже понятно из определения, у нас есть камера. Глубокая вакуумная камера. В случае с ITER это будет 850 кубометров свободного объема камеры, в котором на старте будет всего 0,1 грамма смеси дейтерия и трития. Вакуумная камера, где и обитает плазма.
Инжектор нейтрального луча и радиочастотный нагрев плазмы до 150 млн градусов. Сверхпроводящие магниты, которые обуздают плазму. Бланкеты, защищающие камеру и магниты от бомбардировки нейтронами и нагрева. Дивертор, который отводит тепло и продукты термоядерной реакции. Инструменты диагностики для изучения физики плазмы. Включают манометры и нейтронные камеры.
Криостат — огромный термос с глубоким вакуумом, который защищает от нагрева магниты и вакуумную камеру А вот так выглядит «маленькая» вакуумная камера с моделями работников внутри. Она 11,4 метра в высоту, а вместе с бланкетами и дивертором будет весить 8,5 тыс. Внутри них циркулирует вода. Вырывающиеся из плазмы свободные нейтроны попадают в эти бланкеты и тормозятся водой. Из-за чего она нагревается. Сами бланкеты защищают всю остальную махину от теплового, рентгеновского и уже упомянутого нейтронного излучения плазмы.
Такая система необходима для того, чтобы продлить срок работы реактора. Каждый бланкет весит порядка 4,5 тонны, их будет менять роботизированная рука примерно раз в 5—10 лет, так как этот первый ряд обороны будет подвержен испарению и нейтронному излучению. Но это далеко не все. К камере присоединяется внутрикамерное оборудование, термопары, акселерометры, уже упомянутые 440 блоков бланкетной системы, системы охлаждения, экранирующий блок, дивертор, магнитная система из 48 элементов, высокочастотные нагреватели плазмы, инжектор нейтральных атомов и т. И все это находится внутри огромного криостата высотой 30 метров, имеющего такой же диаметр и объем 16 тыс. Криостат гарантирует глубокий вакуум и ультрахолодную температуру для камеры токамака и сверхпроводящих магнитов, которые охлаждаются жидким гелием до температуры —269 градусов по Цельсию.
Одна третья часть основания криостата. Всего этот «термос» будет состоять из 54 элементов А так выглядит криостат на рендере. Его производство поручено Индии. Внутри «термоса» соберут реактор Криостат уже собирают.
Эти аппараты обеспечивают защиту сверхпроводниковых катушек магнитной системы в случае перехода сверхпроводника в резистивное близкое к критическому состояние и являются важными компонентами защиты. Четыре уже доставлены на стройплощадку. Проблемы и решения На самой масштабной инновационной стройке мира не обходится без проблем.
Продолжительность ремонта термоэкранов оценивается примерно в два года». Еще одна проблема возникла при сварке секторов вакуумной камеры. При проектировании ИТЭРа первую стенку решили делать из бериллия. Сейчас российское термоядерное сообщество анализирует, насколько оправданна замена материала.
Фото: Синьхуа На первом этапе работы реактор рассчитан на получение стабилизированного выхода мощности - необходимой для выработки электроэнергии - в 200 мегаватт, что примерно соответствует мощности небольшой угольной электростанции. Китайский термоядерный реактор, вероятно, не будет первым в мире: строительство Международного термоядерного экспериментального реактора ITER на юге Франции почти завершено, и он может быть запущен к 2025 году. Но после многочисленных задержек с момента начала строительства в 2007 году ИТЭР стал самым дорогим международным научным проектом в истории, который обойдется странам-участницам, включая Китай, в сумму от 45 до 65 миллиардов долларов США.
И хотя он впервые воплотит в жизнь идею искусственного солнца, вырабатываемое им количество тепла не может быть устойчивым, чтобы генерировать достаточно энергии для производства электричества, как это делает китайский реактор. Сонг сказал, что Китай и другие страны оказывают содействие и следят за прогрессом во Франции, используя знания и технологии, разработанные для ITER, для совершенствования своих собственных проектов термоядерных реакторов - гонка за их разработку разгорается. Китайские исследования в области термоядерного синтеза изначально проводились с использованием российского оборудования и технологий, но в последние годы, по словам Сонга, Китай занял лидирующие позиции в этой области. В мае на моделирующем устройстве в Хэфэе была создана горящая плазма с температурой 150 миллионов градусов Цельсия, которая поддерживалась на стабильном уровне более 100 секунд, что является мировым рекордом. Ученые удерживали горячий газ, который был чрезвычайно непредсказуем и мог разрушить все, чего бы он ни коснулся, с помощью сверхсильного магнитного поля, созданного на основе сверхпроводников. Сонг сказал, что следующей целью китайского проекта будет увеличение продолжительности горения до 400, а затем до 1 000 секунд. По словам Сонга, эта разработка принесла положительные результаты и в других отраслях.
Благодаря достижениям в исследованиях термоядерного синтеза, китайские производственные мощности по выпуску сверхпроводящих материалов увеличились в 10 000 раз, отметил он. Сверхпроводниковая продукция необходима в самых разных отраслях, от транспорта до медицинского оборудования, и рост производства позволяет значительно снизить ее цену. Китайское правительство планирует начать массовое строительство термоядерных электростанций до 2060 года - крайнего срока для достижения поставленной страной цели по обеспечению углеродной нейтральности окружающей среды. В Британии 24. Утверждается, что технология приведёт к коммерчески выгодным компактным термоядерным реакторам и намного эффективнее альтернативных систем. Демонстрация установки состоится в 2022 году, а коммерческое распространение ожидается к 2030 году. Компания Tokamak Energy на государственные субсидии и частные инвестиции планомерно совершенствует сферические токамаки.
Проведённые с тех пор модернизации позволяют поднять температуру плазмы до рекордных для такого малыша значений. Внутри токамака разогретая плазма удерживается сильнейшим магнитным полем, поэтому роль магнитов сложно переоценить. Особенно важны параметры магнитов для сферических токамаков с небольшим по объёму соленоидом по центру. Компания Tokamak Energy делает ставку на высокотемпературные сверхпроводящие магниты и технологии масштабирования магнитов. Чем сильнее магнит в меньшем исполнении, тем меньше размеры рабочей камеры реактора, и здесь на передний план выходит защита сверхпроводящих магнитов от повреждений плазмой. По словам Tokamak Energy, они разработали не имеющую аналогов технологию защиты сверхпроводящих магнитов и готовятся создать установку с её использованием. Запуск установки с новой обвязкой сверхпроводящими магнитами запланирован на следующий год.
Это не приведёт к мгновенному решению вопроса, но мало-помалу продвинет разработчиков к желанной цели — к созданию компактных термоядерных реакторов. В США 10. Данное достижение смогли осуществить сотрудники американской компании Commonwealth Fusion Systems и Массачусетского технологического института, сообщает 8 сентября пресс-служба американского научного заведения. Это самое мощное магнитное поле, которое когда-либо создавалось на Земле», — говорится в сообщении. Из публикации следует, что достигнуть этого позволил электромагнит новой конструкции, созданный специалистами двух указанных организаций. Его особенность — намного меньшие размеры, чем у тех, что появлялись до сих пор. Эта конструкция стала возможной благодаря новому виду сверхпроводящего материала, который стал коммерчески доступным несколько лет назад», — отмечается в статье.
Магнит состоит из 16 пластин, сложенных вместе. Конструкция является плоской. Работать пластины будут, согласно описанию, при температуре 20 Кельвинов. Согласно последующим планам ученых, на основе данной разработки к 2025 году будет собран демонстрационная установка типа токамак под названием SPARC. Внутри него создается магнитное поле напряженностью 3,6 Тл. Реакторы типа "токамак" нужны для замыкания ядерного топливного цикла и перехода к "зеленой" атомной энергетике.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов. Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём. Реакции термоядерного синтеза позволяют получать энергию без радиоактивных отходов и оставления углеродного следа. К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский.
#термоядерный синтез
| Вестник РАН. T. 91, Номер 5, 2021 | Случайное открытие физиков позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза 5.5. |
| Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова - МК | Зачем на самом деле строится самый большой термоядерный реактор. |
| Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности | На этой неделе на юге Франции началась сборка первого в мире термоядерного реактора. |
| Термоядерный реактор: что это, как устроен, международный термоядерный реактор ИТЭР | Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times. |
| ядерная физика | Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР. |
Прорыв в термоядерном синтезе
Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. В течение четверти века он работал в областях физики плазмы и производства нейтронов, связанных с разработками в области термоядерной энергии. Физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии, чем потребил. Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике.
Российский инженер рассказала о значении термоядерного прорыва американских ученых
Зачем на самом деле строится самый большой термоядерный реактор. Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов.