Всем разумным существам суждено стать настолько великими, насколько велики их устремления.
Тема термоядерной энергетики время от времени всплывает в средствах массовой информации. Обычно о ней говорят как о неисчерпаемом источнике энергии для процветания человечества. Тем более и нам стоит поговорить о термоядерной энергии, о том, что это такое и как продвигается работа по её получению.
Ядерные реакцииВсё состоит из атомов — это известный факт. А атомы состоят из положительно заряженных протонов, нейтральных нейтронов (вместе они образуют атомное ядро) и вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов. То, к какому элементу принадлежит атом, определяется числом протонов. Разные изотопы одного элемента отличаются числом нейтронов. Добавляя или отнимая электроны, атом можно превратить в положительный или отрицательный ион.
Атомные ядра могут взаимодействовать с элементарными частицами и друг с другом, претерпевая в результате различные превращения. По аналогии с химическими реакциями, превращения ядер называют ядерными реакциями.
Вот основные типы ядерных реакций:
1) Радиоактивный распад. В каждом ядре существуют две противоборствующие силы: сила электростатического отталкивания между протонами и ядерная сила, удерживающая нуклоны (протоны и нейтроны) вместе. В некоторых ядрах эти силы не уравновешены, и им становится выгодно распасться. Есть несколько типов радиоактивности: при альфа-распаде от ядра отделяется альфа-частица — ядро гелия-4 (2 протона, 2 нейтрона), при бета-распаде один из нейтронов превращается в протон (остаётся в ядре), электрон и электронное антинейтрино. Гамма-распад (излучение высокоэнергичного фотона) уменьшает энергию ядра, но не меняет его тип. Ещё есть бета-плюс-распад (протон переходит в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино), протонный и нейтронный распады (излучение протона и нейтрона, соответственно).
2) Если ядро может распасться, значит, есть и обратный процесс. Ядра могут захватывать электроны, позитроны, нейтроны и протоны.
3) Реакция деления. Большие ядра (например, ядра урана и более тяжёлые) могут распадаться на несколько ядер поменьше. При этом выделяется энергия. Именно на использовании реакций деления основана атомная энергетика.
4) Реакции синтеза. В то время как тяжёлым ядрам выгодно разваливаться на куски, лёгким ядрам выгодно сливаться в более крупные ядра. Но, в отличие от реакций деления, реакции синтеза не происходят сами по себе. Ядра должны преодолеть силы отталкивания и сблизиться на достаточное расстояние, чтобы в игру вступили ядерные силы. Для этого ядрам надо двигаться с очень большой скоростью. Таких скоростей можно достичь на ускорителе. А можно нагреть вещество до десятков миллионов градусов, превратив его в плазму, состоящую из ядер и электронов, и в ней ядра будут иметь нужную энергию. Необходимые для термоядерного синтеза условия существуют в недрах звёзд, и все элементы легче железа образуются в процессе жизни звезды (более тяжёлые элементы рождаются при взрывах сверхновых). При слиянии ядер выделяется энергия, и ниже мы увидим, что немалая. Есть множество реакций синтеза, но я запишу самые интересные для термоядерной энергетики.
D + T —> He-4 + n
D + D —> T + H
D + D —> He-3 + n
T + T —> He-4 + 2n
Здесь D — дейтерий, изотоп водорода с ядром, состоящим из протона и нейтрона, T — тритий, ещё один изотоп водорода с двумя нейтронами, He-3 и He-4 — гелий-3 и гелий-4, n — нейтрон. Жирным выделена реакция, идущая при наиболее низкой температуре, а значит, наиболее выгодная по энергозатратам.
Термоядерная энергетика: плюсы и минусыНародонаселение Земли неуклонно растёт. И это самое народонаселение хочет не просто жить, а жить хорошо. Следовательно, человечеству требуется всё больше энергии. Грустно сознавать, но ископаемое топливо понемногу заканчивается (к тому же продукты его горения способствуют глобальному потеплению). У атомной энергетики есть большая проблема с радиоактивными отходами. Почти все подходящие места для гидроэлектростанций уже заняты. И тут логично вспомнить про термоядерный синтез как источник огромного количества энергии. Проиллюстрируем это примером.
Возьмём ведро воды. В школе учат, что вода состоит из кислорода и водорода. Но правда жизни такова, что часть природной воды состоит из кислорода и дейтерия. Доля молекул D2O составляет примерно 0,017%. Итак, возьмём ведро воды и извлечём из неё весь дейтерий, затем загрузим его в термоядерный реактор. Когда весь дейтерий прореагирует, выделится столько же энергии, что и при сжигании 200 л нефти. Вот одно из преимуществ термоядерного топлива — большой выход энергии. Кроме того, продукты термоядерных реакций не загрязняют окружающую среду и не радиоактивны (или обладают коротким периодом полураспада).
Однако есть у термоядерной энергетики и проблемы. Во-первых, есть сложности с получением топлива. Если дейтерий на Земле существует в преизрядном количестве (и выше я это показала), то трития почти нет. Дело в том, что он радиоактивен, и его период полураспада составляет 12,3 лет, следовательно, в природе он не накапливается. Сейчас в распоряжении человечества находится около 20 кг трития. Правда, тритий можно получить в результате реакции
Li-6 + n —> He-4 + T.
Литий содержится в земной коре, а нейтроны являются продуктом реакции дейтерия и трития (см. выше). Получается, если окружить камеру реактора литием, он будет взаимодействовать с вылетающими из камеры нейтронами, и таким образом можно получить тритий. Но этот способ не решает проблему трития полностью, ведь его надо изначально откуда-то взять!
Во-вторых, те самые нейтроны, которые могут помочь получать тритий, будут взаимодействовать с веществом, из которого сделан реактор. Поглощая нейтроны, многие ядра становятся радиоактивными. Следовательно, возникает проблема утилизации реактора после остановки. Используя специальные материалы, можно добиться того, что лет через 50 после остановки реактора его радиоактивность будет меньше радиоактивности угольной золы. Также были предложения использовать безнейтронные термоядерные реакции, например, такую:
D + He-3 —> He-4 + p.
Но эта реакция идёт при более высоких температурах, кроме того, на Земле нет гелия-3. Его много на Луне, но его добыча и доставка были бы очень дорогими.
Третья проблема заключается в том, что термоядерные реакции протекают в горячей и плотной плазме, и эту плазму надо, во-первых, получить, а, во-вторых, удерживать достаточно долго, чтобы энерговыделение превысило наши затраты на нагрев и удержание (для коммерчески успешного реактора — в 30-50 раз). Оказалось, что это очень сложная задача, которая всё ещё не решена. Именно поэтому термоядерный реактор до сих пор не существует.
Схемы управляемого термоядерного синтезаСейчас существует два основных способа удержания плазмы: инерциальный и магнитный. Так как есть несколько конфигураций магнитных ловушек, начнём мы с инерциального управляемого термоядерного синтеза.
Инерциальный УТССуть инерциального термоядерного синтеза такова: мишень из замороженного термоядерного топлива быстро сжимается и нагревается до нужной температуры. В ней происходят термоядерные реакции, и вещество мишени разлетается. На схеме ниже показан цикл жизни мишени.
Для обжатия мишени предлагалось использовать обычную взрывчатку, высокоэнергичные электронные или протонные пучки, но ничего их этого не сработало. Сейчас для этой цели используют мощные лазеры, генерирующие сверхкороткие импульсы.
Чтобы в одном цикле выделилось много энергии, надо как следует сжать мишень и продержать её в таком состоянии достаточно долго. А для этого мишень должна обжиматься симметрично, то есть лазеры должны генерировать импульсы одинаковой мощности и длительности, срабатывать одновременно, мишень не должна иметь шероховатостей. Малейшая неточность — и вещество разлетается, и никаких реакций не происходит. Добиться такой симметрии с инженерной точки зрения сложно, и в этом главная проблема схем с инерциальным термоядерным синтезом.
Самый известный эксперимент по инерциальному термоядерному синтезу проводился в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций (NIF), в США. Главная часть экспериментальной установки — 192 неодимовых лазера, генерирующих мощные сверхкороткие импульсы, и каждый из них — инженерное чудо. На фото показана камера, в которой происходят термоядерные реакции.
Мишень представляет собой тонкостенный шар диаметром 4 мм из замороженной смеси дейтерий-тритий, покрытый золотой фольгой. Размер шероховатостей не превышает 0,3 мкм.
В эксперименте NIF мишень не облучалась лазером напрямую. Она помещалась в хольраум — покрытый золотом цилиндр. При облучении лазером стенки цилиндра излучали рентгеновские лучи, которые и обжимали мишень. Таким образом равномерность обжатия достигается автоматически, но требуется большая мощность лазера.
На фото изображён хольраум в специальном держателе, имеющем сложную конструкцию. И да, лазерный импульс его полностью разрушает.
Эксперимент NIF примечателен тем, что в нём была впервые зажжена термоядерная реакция, выделившая больше энергии, чем было затрачено.
Системы магнитного удержания плазмыКак вы понимаете, плазму температурой в миллион градусов в коробку не положишь: от коробки в момент ничего не останется. Для изоляции плазмы от стенок камеры используют магнитное поле. Разные схемы магнитного удержания плазмы отличаются способом создания магнитного поля и формой плазменного шнура; наиболее распространённые из них — токамак, стелларатор и открытая ловушка.
ТокамакНачнём с токамака — самой изученного и перспективного типа магнитной ловушки.
Слово "токамак" — аббревиатура от "тороидальная камера с магнитными катушками", и было придумано советскими учёными (как, впрочем, и сам токамак). Из названия следует, что ловушка и плазма в ней имеют форму тора. Вот как выглядит изнутри камера типичного токамака.
Основа магнитной системы токамака — катушка тороидального поля. Но в одном тороидальном поле плазма удерживаться не будет. Для создания дополнительного магнитного поля по плазме пропускают ток (он также разогревает плазму). Результирующее магнитное поле "окутывает" плазму и не даёт ей упасть на стенку. Дополнительное вертикальное магнитное поле позволяет управлять положением плазменного шнура. На схеме внизу показано устройство токамака и существующие в нём магнитные поля.
А здесь показано, как можно менять положение и форму плазмы.
Как водится, на словах всё проще, чем в жизни. Плазма — это множество (сотни триллионов в кубическом сантиметре) электронов и ядер, которые постоянно сталкиваются друг с другом. Кроме того, так как электроны и ядра — заряженные частицы, они создают магнитные и электрические поля, которые распределены Тзинч знает как. А мы ещё накладываем внешнее магнитное поле. И пропускаем по плазме ток. Короче говоря, плазма — ужасно сложная система, предсказать поведение которой совсем не просто. Экспериментаторам пришлось столкнуться с разными эффектами, приводящими к искажению формы плазменного шнура, изменению температуры, давления в плазме и прочим неустойчивостям. На фото ниже показан пример такой неустойчивости.
Когда неустойчивости достигают критического уровня, плазма может упасть на стенку камеры, и камере от этого сильно не хорошо.
Плазма в токамаках существует несколько секунд, и до сих пор энергетические затраты на её нагрев и удержание превышают энергетический выход. И всё же учёные возлагают надежды на токамак как на основу будущего термоядерного реактора. Недаром ITER — грандиозный проект экспериментального термоядерного реактора — представляет собой токамак.
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, также в переводе с латинского — "путь") был задуман Советским Союзом, США, ЕС и Японией в 1988 году. С тех пор США выходили из проекта и возвращались, присоединялись другие страны, и в 2007 году была начата практическая реализация проекта. Сейчас в него входят Россия, США, Канада, Европейский союз, Китай, Индия, Япония, Республика Корея и, внезапно, Казахстан. Токамак радиусом 6,2 м возводится на территории исследовательского центра Карадаш на юге Франции. Эксперименты планируется начать в 2025 году.
На фото ниже — текущий вид стройплощадки.
За 20 лет работы реактора планируется провести эксперименты с дейтерий-тритиевой плазмой, достичь энерговыделения, превышающего энергозатраты в 5, а то и 10 раз, опробовать метод получения трития из лития, протестировать материалы для реактора. Что ж, пожелаем участникам удачи, и пусть пребудет с ними благословение Бога-Машины.
СтеллараторВ токамаке полоидальное поле создаётся протекающим по плазме током. Но его можно создавать внешними обмотками. Схема магнитного удержания, при которой все поля создаются извне, называется стелларатором (от латинского stella — звезда).
Преимущество стелларатора перед токамаком — лучшая управляемость и отсутствие неустойчивостей. Но для нормальной работы стелларатора величина магнитного поля должна соответствовать проектной с точностью 0,0001, а это значит, что форма катушек должна выдерживаться очень точно (а она довольно причудлива).
Поэтому недостаток стелларатора — сложность и дороговизна постройки. Из-за несовершенств конструкции первые стеллараторы показывали плохие результаты, потому в США отдали предпочтение токамакам, что повлияло на продвижение всей стеллараторной науки. Сейчас действующие стеллараторы есть в Японии и Германии.
И напоследок вам вид изнутри стелларатора.
Открытые ловушкиТокамак и стелларатор — это замкнутые ловушки, то есть плазма в них имеет форму кольца. В открытых ловушках плазма вытянута вдоль прямой.
Первую схему открытой ловушки, названную пробкотроном, предложил Будкер (основатель ИЯФа, между прочим) в 1955 году. Конструкция пробкотрона проста: плазма находится внутри катушки, создающей однородное магнитное поле. На концах ловушки находятся катушки, создающие более сильное магнитное поле. Частицы "отражаются" от концевых "пробок" и удерживаются в ловушке. Только не все. Если частица летит под малым углом к оси катушки, она вылетит. А какой толк от ловушки, из которой утекает плазма? Для стабилизации плазмы используют схемы с дополнительным полем, создаваемым электродами разной формы. Ещё можно к концам присоединить маленькие пробкотроны с плотной плазмой (такая ловушка называется амбиполярной). Можно вообще поставить несколько пробок по всей длине ловушки (многопробочная ловушка), тогда частица после многих соударений с другими точно передумает вылетать! А можно сделать ловушку с плотной плазмой и сильным магнитным полем в пробках (такая ловушка называется газодинамической).
Открытые ловушки не особо строятся в мире, и особенно здорово, что в ИЯФе работают целых две ловушки — ГОЛ-3 (многопробочная) и ГДЛ (газодинамическая). На фото ниже — ГДЛ.
Вывод таков: термоядерная энергетика очень заманчива, но человечеству пока недоступна. И всё же учёные по всему миру продолжают работать над конструкцией термоядерного реактора.
Ядерные реакцииВсё состоит из атомов — это известный факт. А атомы состоят из положительно заряженных протонов, нейтральных нейтронов (вместе они образуют атомное ядро) и вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов. То, к какому элементу принадлежит атом, определяется числом протонов. Разные изотопы одного элемента отличаются числом нейтронов. Добавляя или отнимая электроны, атом можно превратить в положительный или отрицательный ион.
Атомные ядра могут взаимодействовать с элементарными частицами и друг с другом, претерпевая в результате различные превращения. По аналогии с химическими реакциями, превращения ядер называют ядерными реакциями.
Вот основные типы ядерных реакций:
1) Радиоактивный распад. В каждом ядре существуют две противоборствующие силы: сила электростатического отталкивания между протонами и ядерная сила, удерживающая нуклоны (протоны и нейтроны) вместе. В некоторых ядрах эти силы не уравновешены, и им становится выгодно распасться. Есть несколько типов радиоактивности: при альфа-распаде от ядра отделяется альфа-частица — ядро гелия-4 (2 протона, 2 нейтрона), при бета-распаде один из нейтронов превращается в протон (остаётся в ядре), электрон и электронное антинейтрино. Гамма-распад (излучение высокоэнергичного фотона) уменьшает энергию ядра, но не меняет его тип. Ещё есть бета-плюс-распад (протон переходит в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино), протонный и нейтронный распады (излучение протона и нейтрона, соответственно).
2) Если ядро может распасться, значит, есть и обратный процесс. Ядра могут захватывать электроны, позитроны, нейтроны и протоны.
3) Реакция деления. Большие ядра (например, ядра урана и более тяжёлые) могут распадаться на несколько ядер поменьше. При этом выделяется энергия. Именно на использовании реакций деления основана атомная энергетика.
4) Реакции синтеза. В то время как тяжёлым ядрам выгодно разваливаться на куски, лёгким ядрам выгодно сливаться в более крупные ядра. Но, в отличие от реакций деления, реакции синтеза не происходят сами по себе. Ядра должны преодолеть силы отталкивания и сблизиться на достаточное расстояние, чтобы в игру вступили ядерные силы. Для этого ядрам надо двигаться с очень большой скоростью. Таких скоростей можно достичь на ускорителе. А можно нагреть вещество до десятков миллионов градусов, превратив его в плазму, состоящую из ядер и электронов, и в ней ядра будут иметь нужную энергию. Необходимые для термоядерного синтеза условия существуют в недрах звёзд, и все элементы легче железа образуются в процессе жизни звезды (более тяжёлые элементы рождаются при взрывах сверхновых). При слиянии ядер выделяется энергия, и ниже мы увидим, что немалая. Есть множество реакций синтеза, но я запишу самые интересные для термоядерной энергетики.
D + T —> He-4 + n
D + D —> T + H
D + D —> He-3 + n
T + T —> He-4 + 2n
Здесь D — дейтерий, изотоп водорода с ядром, состоящим из протона и нейтрона, T — тритий, ещё один изотоп водорода с двумя нейтронами, He-3 и He-4 — гелий-3 и гелий-4, n — нейтрон. Жирным выделена реакция, идущая при наиболее низкой температуре, а значит, наиболее выгодная по энергозатратам.
Термоядерная энергетика: плюсы и минусыНародонаселение Земли неуклонно растёт. И это самое народонаселение хочет не просто жить, а жить хорошо. Следовательно, человечеству требуется всё больше энергии. Грустно сознавать, но ископаемое топливо понемногу заканчивается (к тому же продукты его горения способствуют глобальному потеплению). У атомной энергетики есть большая проблема с радиоактивными отходами. Почти все подходящие места для гидроэлектростанций уже заняты. И тут логично вспомнить про термоядерный синтез как источник огромного количества энергии. Проиллюстрируем это примером.
Возьмём ведро воды. В школе учат, что вода состоит из кислорода и водорода. Но правда жизни такова, что часть природной воды состоит из кислорода и дейтерия. Доля молекул D2O составляет примерно 0,017%. Итак, возьмём ведро воды и извлечём из неё весь дейтерий, затем загрузим его в термоядерный реактор. Когда весь дейтерий прореагирует, выделится столько же энергии, что и при сжигании 200 л нефти. Вот одно из преимуществ термоядерного топлива — большой выход энергии. Кроме того, продукты термоядерных реакций не загрязняют окружающую среду и не радиоактивны (или обладают коротким периодом полураспада).
Однако есть у термоядерной энергетики и проблемы. Во-первых, есть сложности с получением топлива. Если дейтерий на Земле существует в преизрядном количестве (и выше я это показала), то трития почти нет. Дело в том, что он радиоактивен, и его период полураспада составляет 12,3 лет, следовательно, в природе он не накапливается. Сейчас в распоряжении человечества находится около 20 кг трития. Правда, тритий можно получить в результате реакции
Li-6 + n —> He-4 + T.
Литий содержится в земной коре, а нейтроны являются продуктом реакции дейтерия и трития (см. выше). Получается, если окружить камеру реактора литием, он будет взаимодействовать с вылетающими из камеры нейтронами, и таким образом можно получить тритий. Но этот способ не решает проблему трития полностью, ведь его надо изначально откуда-то взять!
Во-вторых, те самые нейтроны, которые могут помочь получать тритий, будут взаимодействовать с веществом, из которого сделан реактор. Поглощая нейтроны, многие ядра становятся радиоактивными. Следовательно, возникает проблема утилизации реактора после остановки. Используя специальные материалы, можно добиться того, что лет через 50 после остановки реактора его радиоактивность будет меньше радиоактивности угольной золы. Также были предложения использовать безнейтронные термоядерные реакции, например, такую:
D + He-3 —> He-4 + p.
Но эта реакция идёт при более высоких температурах, кроме того, на Земле нет гелия-3. Его много на Луне, но его добыча и доставка были бы очень дорогими.
Третья проблема заключается в том, что термоядерные реакции протекают в горячей и плотной плазме, и эту плазму надо, во-первых, получить, а, во-вторых, удерживать достаточно долго, чтобы энерговыделение превысило наши затраты на нагрев и удержание (для коммерчески успешного реактора — в 30-50 раз). Оказалось, что это очень сложная задача, которая всё ещё не решена. Именно поэтому термоядерный реактор до сих пор не существует.
Схемы управляемого термоядерного синтезаСейчас существует два основных способа удержания плазмы: инерциальный и магнитный. Так как есть несколько конфигураций магнитных ловушек, начнём мы с инерциального управляемого термоядерного синтеза.
Инерциальный УТССуть инерциального термоядерного синтеза такова: мишень из замороженного термоядерного топлива быстро сжимается и нагревается до нужной температуры. В ней происходят термоядерные реакции, и вещество мишени разлетается. На схеме ниже показан цикл жизни мишени.
Для обжатия мишени предлагалось использовать обычную взрывчатку, высокоэнергичные электронные или протонные пучки, но ничего их этого не сработало. Сейчас для этой цели используют мощные лазеры, генерирующие сверхкороткие импульсы.
Чтобы в одном цикле выделилось много энергии, надо как следует сжать мишень и продержать её в таком состоянии достаточно долго. А для этого мишень должна обжиматься симметрично, то есть лазеры должны генерировать импульсы одинаковой мощности и длительности, срабатывать одновременно, мишень не должна иметь шероховатостей. Малейшая неточность — и вещество разлетается, и никаких реакций не происходит. Добиться такой симметрии с инженерной точки зрения сложно, и в этом главная проблема схем с инерциальным термоядерным синтезом.
Самый известный эксперимент по инерциальному термоядерному синтезу проводился в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций (NIF), в США. Главная часть экспериментальной установки — 192 неодимовых лазера, генерирующих мощные сверхкороткие импульсы, и каждый из них — инженерное чудо. На фото показана камера, в которой происходят термоядерные реакции.
Мишень представляет собой тонкостенный шар диаметром 4 мм из замороженной смеси дейтерий-тритий, покрытый золотой фольгой. Размер шероховатостей не превышает 0,3 мкм.
В эксперименте NIF мишень не облучалась лазером напрямую. Она помещалась в хольраум — покрытый золотом цилиндр. При облучении лазером стенки цилиндра излучали рентгеновские лучи, которые и обжимали мишень. Таким образом равномерность обжатия достигается автоматически, но требуется большая мощность лазера.
На фото изображён хольраум в специальном держателе, имеющем сложную конструкцию. И да, лазерный импульс его полностью разрушает.
Эксперимент NIF примечателен тем, что в нём была впервые зажжена термоядерная реакция, выделившая больше энергии, чем было затрачено.
Системы магнитного удержания плазмыКак вы понимаете, плазму температурой в миллион градусов в коробку не положишь: от коробки в момент ничего не останется. Для изоляции плазмы от стенок камеры используют магнитное поле. Разные схемы магнитного удержания плазмы отличаются способом создания магнитного поля и формой плазменного шнура; наиболее распространённые из них — токамак, стелларатор и открытая ловушка.
ТокамакНачнём с токамака — самой изученного и перспективного типа магнитной ловушки.
Слово "токамак" — аббревиатура от "тороидальная камера с магнитными катушками", и было придумано советскими учёными (как, впрочем, и сам токамак). Из названия следует, что ловушка и плазма в ней имеют форму тора. Вот как выглядит изнутри камера типичного токамака.
Основа магнитной системы токамака — катушка тороидального поля. Но в одном тороидальном поле плазма удерживаться не будет. Для создания дополнительного магнитного поля по плазме пропускают ток (он также разогревает плазму). Результирующее магнитное поле "окутывает" плазму и не даёт ей упасть на стенку. Дополнительное вертикальное магнитное поле позволяет управлять положением плазменного шнура. На схеме внизу показано устройство токамака и существующие в нём магнитные поля.
А здесь показано, как можно менять положение и форму плазмы.
Как водится, на словах всё проще, чем в жизни. Плазма — это множество (сотни триллионов в кубическом сантиметре) электронов и ядер, которые постоянно сталкиваются друг с другом. Кроме того, так как электроны и ядра — заряженные частицы, они создают магнитные и электрические поля, которые распределены Тзинч знает как. А мы ещё накладываем внешнее магнитное поле. И пропускаем по плазме ток. Короче говоря, плазма — ужасно сложная система, предсказать поведение которой совсем не просто. Экспериментаторам пришлось столкнуться с разными эффектами, приводящими к искажению формы плазменного шнура, изменению температуры, давления в плазме и прочим неустойчивостям. На фото ниже показан пример такой неустойчивости.
Когда неустойчивости достигают критического уровня, плазма может упасть на стенку камеры, и камере от этого сильно не хорошо.
Плазма в токамаках существует несколько секунд, и до сих пор энергетические затраты на её нагрев и удержание превышают энергетический выход. И всё же учёные возлагают надежды на токамак как на основу будущего термоядерного реактора. Недаром ITER — грандиозный проект экспериментального термоядерного реактора — представляет собой токамак.
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, также в переводе с латинского — "путь") был задуман Советским Союзом, США, ЕС и Японией в 1988 году. С тех пор США выходили из проекта и возвращались, присоединялись другие страны, и в 2007 году была начата практическая реализация проекта. Сейчас в него входят Россия, США, Канада, Европейский союз, Китай, Индия, Япония, Республика Корея и, внезапно, Казахстан. Токамак радиусом 6,2 м возводится на территории исследовательского центра Карадаш на юге Франции. Эксперименты планируется начать в 2025 году.
На фото ниже — текущий вид стройплощадки.
За 20 лет работы реактора планируется провести эксперименты с дейтерий-тритиевой плазмой, достичь энерговыделения, превышающего энергозатраты в 5, а то и 10 раз, опробовать метод получения трития из лития, протестировать материалы для реактора. Что ж, пожелаем участникам удачи, и пусть пребудет с ними благословение Бога-Машины.
СтеллараторВ токамаке полоидальное поле создаётся протекающим по плазме током. Но его можно создавать внешними обмотками. Схема магнитного удержания, при которой все поля создаются извне, называется стелларатором (от латинского stella — звезда).
Преимущество стелларатора перед токамаком — лучшая управляемость и отсутствие неустойчивостей. Но для нормальной работы стелларатора величина магнитного поля должна соответствовать проектной с точностью 0,0001, а это значит, что форма катушек должна выдерживаться очень точно (а она довольно причудлива).
Поэтому недостаток стелларатора — сложность и дороговизна постройки. Из-за несовершенств конструкции первые стеллараторы показывали плохие результаты, потому в США отдали предпочтение токамакам, что повлияло на продвижение всей стеллараторной науки. Сейчас действующие стеллараторы есть в Японии и Германии.
И напоследок вам вид изнутри стелларатора.
Открытые ловушкиТокамак и стелларатор — это замкнутые ловушки, то есть плазма в них имеет форму кольца. В открытых ловушках плазма вытянута вдоль прямой.
Первую схему открытой ловушки, названную пробкотроном, предложил Будкер (основатель ИЯФа, между прочим) в 1955 году. Конструкция пробкотрона проста: плазма находится внутри катушки, создающей однородное магнитное поле. На концах ловушки находятся катушки, создающие более сильное магнитное поле. Частицы "отражаются" от концевых "пробок" и удерживаются в ловушке. Только не все. Если частица летит под малым углом к оси катушки, она вылетит. А какой толк от ловушки, из которой утекает плазма? Для стабилизации плазмы используют схемы с дополнительным полем, создаваемым электродами разной формы. Ещё можно к концам присоединить маленькие пробкотроны с плотной плазмой (такая ловушка называется амбиполярной). Можно вообще поставить несколько пробок по всей длине ловушки (многопробочная ловушка), тогда частица после многих соударений с другими точно передумает вылетать! А можно сделать ловушку с плотной плазмой и сильным магнитным полем в пробках (такая ловушка называется газодинамической).
Открытые ловушки не особо строятся в мире, и особенно здорово, что в ИЯФе работают целых две ловушки — ГОЛ-3 (многопробочная) и ГДЛ (газодинамическая). На фото ниже — ГДЛ.
Вывод таков: термоядерная энергетика очень заманчива, но человечеству пока недоступна. И всё же учёные по всему миру продолжают работать над конструкцией термоядерного реактора.
@темы: ИЯФ, Новосибирск, волшебный мир физики, слава Омниссии!
-
-
15.06.2018 в 23:44Это кажется мне светом в конце тоннеля.. хотя свои опасности тоже есть.
Было интересно! Спасибо огромное.
-
-
16.06.2018 в 11:18-
-
16.06.2018 в 17:15И напоследок вам вид изнутри стелларатора.
Божечки, он красивый *_*
и особенно здорово, что в ИЯФе работают целых две ловушки
Да! Вообще офигенно. Горжусь любимым Академом.