Термоядерный синтез так близко и так далеко

Специалисты американской компании Lockheed Martin, известной своими военными проектами, должны в короткие сроки построить «компактный» термоядерный реактор. Эту информацию предоставило агентство Reuters, так что она вполне достоверна. Но значит ли это, что компания выполнит свои обещания? Не обязательно.

В скандальном заявлении Lockheed Martin говорится об устройстве размером 2 на 3 м и мощностью 100 МВт — этого хватило бы для питания небольшого городка. Прототип устройства должен быть готов через три года, а в 2024 году компания хочет его продать.

Специалисты легендарного объекта Skunk Works, работавшие над проектом четыре года, говорят, что в ближайшие пять лет они могут построить XNUMX-мегаваттный реактор, который поместится на грузовике. Именно использовать дейтерий-тритий, т.е. концепция мало чем отличается от решений, над которыми годами работали ученые во многих экспериментальных центрах по всему миру.

К сожалению, в сообщениях СМИ не так много информации о технологических деталях. Поэтому трудно сказать, в чем заключается прорыв в многолетних поисках способа проведения управляемого термоядерного синтеза. Большинство физиков в СМИ очень скептически относятся к этой информации.

Конечно, мы уже много лет можем проводить управляемые термоядерные реакции в реакторах, но пока энергетический баланс отрицательный, даже если локально положительный. И если мы хотим иметь эффективную термоядерную электростанцию, мы должны показать положительный энергетический баланс.

Положительный баланс, но отрицательный

1. Визуализация топливной капсулы, подожженной лазерными лучами в Национальном центре зажигания.

Исследователи из калифорнийской Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса сообщили в начале 2014 года, что во время испытания слияние впервые им удалось получить больше энергии от реакции, чем было выделено на поставку топлива.

Это не значит, однако, что мы начнем строить сейчас термоядерные электростанции — реактор в целом все равно потребляет больше энергии, чем производит. Но это, безусловно, был важный прорыв, о котором сообщил журнал Nature, за которым последовали многие мировые СМИ.

Частица топлива, состоящего из изотопов водорода, дейтерия и трития, произвела ровно 17 XNUMX. джоулей энергии. Это больше, чем потреблялось, но — что, к сожалению, значительно ухудшает баланс — на топливо ушел только один процент всей энергии, затраченной в эксперименте.

Утечки новаторских результатов работы устройства National Ignition Facility (NIF), работающего в калифорнийской лаборатории, появились в сентябре 2013 года на BBC. В лаборатории используется лазер мощностью 350 триллионов ватт.

Его задача — воспламенить изотопы водорода до температуры реакции синтеза. Суперлазер на самом деле представляет собой пучок из 192 лазерных лучей, ускоренных в ускорителях. Их энергия преобразуется в сильные импульсы рентгеновского излучения, которые заставляют «таблетку» взрываться вместе с топливом, инициируя реакции. термоядерный синтез (1).

НИФ, считающийся сейчас одним из мест с наибольшей вероятностью управляемого воспламенения Солнца на Земле, действует с 2009 года. Конгресс США поставил там крайний срок эффективного слияния к 2012 году. Оно не увенчалось успехом. В 2013 году конфигурация системы была изменена, чтобы энергия доставлялась к топливной «пигуле» более быстрыми темпами.

Это сработало — баланс улучшился почти сразу. В одном из экспериментов 10 кДж энергии привели к 15 кДж энергии от реакции в топливе. Однако общее энергопотребление реактора составило почти 2 мегаджоуля. Часть этой энергии была потеряна, например, при преобразовании лазерного луча в импульсы рентгеновского излучения.

Во всяком случае, здесь нет энергетической «прибыли», потому что на реакцию выдается менее 1 процента. значение энергии, вложенной в экспериментальную систему. Однако ученые НИФ в любом случае довольны результатами. Включая т.к. в ходе испытаний выяснилось, что в топливе образуются ядра гелия, которые приводят к дальнейшему самовозгоранию термоядерный синтез.

2. Строительная площадка реактора ИТЭР

Токамаки и звездный

Лазеры — не единственный метод воспламенения управляемого синтеза. ИТЭР (Международный термоядерный экспериментальный реактор), строящийся в настоящее время (2) во французском Кадараше, должен работать за счет улавливания реагирующих изотопов водорода. Это не новая методика — советские токамаки и стеллараторы пытаются использовать эту идею с середины 50-х годов.

Они используются для поддержания дейтериево-тритиевого топлива в виде плазмы, нагретой интенсивными микроволнами и пучками атомов. Первый запуск реактора ИТЭР запланирован на 2019 год. Согласно проектам ИТЭР, он должен каждый раз поддерживать термоядерную реакцию около 1000 секунд, достигая мощности 500-1100 МВт. В реакторе планируется провести термоядерные эксперименты в дейтерие-тритиевой плазме.

3. Стелларатор в японской лаборатории LHD

Продолжительность одного эксперимента (реакционного импульса) составит около 15 минут, а коэффициент теплового усиления реактора (т. е. отношение количества тепла, выделяющегося в реакции синтеза, к количеству энергии, затраченной на нагрев плазмы до температуры 100 млн °С) составит примерно 10.

Первая термоядерная реакция должна наблюдаться в 2020 году. Токамак ИТЭР пока не будет опытной энергетической установкой, так как его конструкция не предусматривает теплоприема термоядерной реакции, отсюда и ограничение времени импульса плазмы указанными примерно 15 минут, после чего стенки реактора должны остыть.

Однако рентабельность и распространение используемых там решений имеет перспективу на несколько десятков лет. В разработке термоядерный реактор В ИТЭР принимают участие Европейский Союз, Китай, Индия, Россия, США, Япония и Южная Корея, которые в 2007 г. учредили международную организацию ИТЭР.

Ожидается, что общий бюджет проекта превысит 20 миллиардов евро, а страны, участвующие в строительстве реактора, разработают и овладеют технологиями, которые позволят им затем построить прототип. термоядерная электростанция, так называемой ДЕМО. Однако нереально, чтобы термоядерная электростанция DEMO была построена до 2040 года.

Ученые из Университета штата Вашингтон в США не хотят ждать так долго. Вот и предложили новый, более дешевый метод мастеринга слияние. Крайне важно поддерживать внутри реактора плазму в 10 раз более горячую, чем Солнце.

Здесь должны происходить реакции: ядра изотопов водорода (дейтерий и тритий) объединяются, образуя ядро ​​гелия и нейтрон, несущий большую энергию. По массе этот процесс в три раза эффективнее деления урана на классических атомных электростанциях.

4. Внутренняя часть токамака JET и его размер по сравнению с человеком

Для захвата плазмы в центре токамака требуется чрезвычайно сильное магнитное поле. В ИТЭР это должны делать сверхпроводящие магнитные катушки, опутывающие реактор. Это делает все устройство чрезвычайно большим и в то же время очень дорогим.

В попытке устранить эту слабость ученые из Вашингтона предложили построить так называемую сферома. Американцы хотят воспользоваться тем, что для создания самой плазмы используется огромное количество электричества, и именно из тока, заключенного в этой плазме, они хотят создать магнитное поле, которое будет удерживать ее прижатой в одном месте.

Их реактор в первую очередь будет гораздо меньше, а потому будет стоить одну десятую стоимости ИТЭР. американцы уверяют термоядерная электростанция при мощности 1 ГВт она будет стоить около 2,7 млрд долларов, то есть всего на 100 млн долларов больше, чем угольная электростанция.

И в то же время это чистый, экологический источник электроэнергии, который не несет в себе такого риска, как атомная электростанция — в этом случае реактор останавливается, температура падает и все возвращается в то состояние, в котором оно было. до того, как он был введен в эксплуатацию. Stellarator (3) — токамакоподобный реактор с такой же долгой историей.

Он был изобретен в 1950 году американским физиком Лайманом Спитцером. Однако построить такую ​​установку оказалось очень сложно. Камера, в которой стелларатор производит плазму, имеет сложную форму. Физики сравнивают его с так называемым Ленты Мёбиуса. В своем классическом виде это лента, например, из бумаги, которую многократно склеивают «концами назад», т.е. предварительно скручивая ее на 180 градусов.

На сегодняшний день крупнейшим в мире стелларатором является Wendelstein 7-X (W7-X). Он был основан в Грайфсвальде — небольшом городке на севере Германии (менее 60 км от границы с Польшей), где находится Институт физики плазмы им. Макса Планка. В основном это немецкие инвестиции на сумму 2 миллиарда евро, но значительная доля в них принадлежит полякам.

В конце мая состоялась торжественная презентация Вендельштейна, он должен быть спущен на воду в следующем году. Если это сработает, это станет научной сенсацией мирового уровня. Стоит напомнить, что уже давно работает Объединенный Европейский Тор (JET) — самый большой токамак в мире.

Он расположен в Великобритании недалеко от города Калхэм. Строительство велось совместно европейскими странами — оно началось в 1978 году, а первые эксперименты прошли в 1983 году. Исследования, проводимые с использованием JET (4), координируются Европейским соглашением о развитии термоядерного синтеза.

Реактор адаптирован к реакции термоядерный синтез с использованием дейтерия и трития. JET достигла рекордной мощности термоядерного синтеза в 16 МВт. В настоящее время эксперименты с его использованием планируется использовать в основном для проектирования реактора ИТЭР.

Ловушка плазмы

5. Визуализация реакции синтеза

Следующие реакции должны использоваться в термоядерных реакторах для производства энергии. термоядерный синтез: D + T4He + n + 17.6 МэВ; n + 6Li4He + T + 4.8 МэВ и n + 7Li4He + T + n + 2.47 МэВ (5). Рассмотрены и другие реакции с использованием «лунного» изотопа гелия ³He и изотопа бериллия ¹¹B.

Однако из-за доступности топлива реакции D и T являются наиболее перспективными (6). Получение дейтерия, например, из морской воды не является технической проблемой и дает практически неограниченное количество этого топлива (1 г дейтерия на 33 м³ морской воды).

Трития на Земле очень мало, но его можно получить при бомбардировке ядер лития нейтронами, образующимися при слиянии дейтерия и трития. Литий довольно распространен на Земле. Его много в земной коре и добывать его относительно легко.

Для того чтобы ядра преодолели барьер электростатического отталкивания и приблизились к действию короткодействующих ядерных сил, ведущих непосредственно к слиянию ядер, необходимо создать очень высокие температуры. Кинетические энергии ядер, необходимые для инициирования реакции синтеза, соответствуют температуре: 4.5·107К для реакции Д+Т или 4·108К для реакции Д+Д.

6. Изотопы водорода: прот, дейтерий, тритий

При таких высоких температурах каждое вещество полностью ионизировано, то есть состоит только из заряженных ядер и электронов, находящихся в быстром беспорядочном движении. Это состояние называется плазмой. Его также называют четвертым состоянием материи после твердого, жидкого и газообразного (теперь мы можем создавать больше состояний материи).

И именно плазма является самым распространенным состоянием материи во Вселенной (более 99,9%). Для того чтобы давление плазмы не было слишком высоким при таких высоких температурах, ее плотность должна составлять примерно 10-4 атмосферных плотностей (1015 частиц в 1 см3).

При высоких температурах плазма сильно излучает и в результате теряет свою энергию. Одним из важнейших условий реализации термоядерная реакция заключается в том, чтобы удерживать горячую плазму в ограниченном объеме до тех пор, пока значительная часть ядер не вовлечется в реакции синтеза.

Плазма должна быть изолирована от стенок, так как частицы, падающие на стенки, теряют свою энергию и плазма остывает. Решение этой проблемы состоит в воздействии на частицы, заряженные соответствующим магнитным полем (7). Однако даже самые лучшие магнитные ловушки удерживают частицы только в течение конечного времени.

Магнитная ловушка — не единственный известный способ улавливания плазмы. В звездах он захвачен гравитацией. Ее также можно заключить в тюрьму с помощью инерционных методов, таких как термоядерные бомбы, или электростатическим способом. Этот параметр связан с так называемым Критерий Лоусона.

Он выражает условия, при которых воспламеняется плазма, т. е. когда тепла, выделяющегося в результате реакции синтеза, достаточно для поддержания постоянной температуры плазмы без подвода внешней энергии. До сих пор ни один термоядерный реактор (по крайней мере, тот, о котором мы знаем) не прошел критерий Лоусона. Еще одна проблема, которую необходимо будет решить, заключается в том, как подобрать и обработать излучаемый w. термоядерный реактор энергии, чтобы она могла питать, например, промышленные предприятия или большие жилые комплексы.

7. Модель термоядерного реактора (фото: ifj.edu.pl)

Много плюсов — из середины века?

К настоящему времени построено много типов устройств, в которых должны протекать термоядерные реакции. Там были опробованы различные способы инициирования термоядерных реакций. На сегодняшний день наиболее перспективными считаются упомянутые реакторы ITER и JET и будущий DEMO. Ученые официально предполагают, что к 2050 году в мире будут работать термоядерные реакторы с положительным энергетическим балансом и возможностью практического использования вырабатываемой ими энергии.

Теоретически тепловой реактор имеют много преимуществ. Используемое в них топливо практически не ограничено на Земле. Реакции синтеза не производят парниковых газов и поэтому не представляют угрозы для климата, как в случае сжигания ископаемого топлива.

Реакции синтеза генерируют много энергии, поэтому их можно использовать в крупных электростанциях. Также практически отсутствуют радиоактивные продукты реакции. Нет необходимости транспортировать радиоактивные материалы на площадку термоядерная электростанцияпотому что радиоактивный тритий производится и используется для термоядерных реакций внутри реактора.

Реакции синтеза не могут выйти из-под контроля, как это было в случае с чернобыльскими реакциями деления. Использование массового синтеза позволило бы получать энергию, не загрязняя окружающую среду. Однако, по мнению экспертов, для того, чтобы человечество начало массово внедрять эту технологию в первой половине XNUMX века, в некоторых областях (таких как производство соответствующих материалов для строительства токамака) еще требуется значительный прогресс. .

В конечном итоге это позволило бы полностью отказаться от электростанций, работающих на ископаемом топливе, а в сочетании с другими технологиями (такими как топливные элементы) позволило бы исключить необходимость их добычи. Целесообразно преследовать эту цель, требует ли она 30, 50 или 100 лет исследований. Изобилие топлива для таких электростанций сделало бы человечество независимым от ограничений, которым подвержены все невозобновляемые источники энергии.