Термоядерный реактор своими руками 13 лет
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 05.10.2024
В России запустили термоядерный реактор, не имеющий аналогов в мире благодаря сочетанию компактных размеров и высокой мощности. Эксперименты на нем должны проложить путь термоядерной энергетике, способной практически навсегда обеспечить мир дешевой и безопасной энергией, считает научный обозреватель, кандидат физико-математических наук Анатолий Глянцев
Неисчерпаемый ресурс
Термоядерные реакции — самый впечатляющий источник энергии, опробованный человечеством. В пересчете на килограмм топлива они в несколько раз мощнее, чем деление ядер урана или плутония. Именно это делает водородные бомбы куда более страшным оружием, чем ядерные заряды, разрушившие Хиросиму и Нагасаки. И поэтому же термоядерные электростанции будут куда эффективнее обычных атомных. Удивительно, но при этом они будут еще и гораздо безопаснее для человека и окружающей среды.
Что же происходит в такой установке? Напомним, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Проще всего устроено ядро атома водорода: почти всегда оно представляет собой одиночный протон. Однако одно на 6000–7000 ядер водорода, встречающихся в природе, содержит еще и нейтрон. Такая разновидность (изотоп) водорода называется дейтерием. Существует и третий изотоп водорода: тритий. В его ядре один протон и два нейтрона. Тритий, в отличие от дейтерия, радиоактивен и быстро распадается: всего за 12 лет число его ядер уменьшается вдвое. В связи с этим он практически не встречается в природе, но может быть получен искусственно.
В термоядерном реакторе и при взрыве водородной бомбы ядра дейтерия сливаются с ядрами трития. При этом образуются ядра гелия и одиночные нейтроны, а также выделяется энергия, ради которой все и затевается.
В литре самой обычной воды (водопроводной, морской или какой угодно) содержится примерно 0,03 г дейтерия. Если весь этот изотоп использовать в термоядерном реакторе, выделится столько же энергии, как при сжигании 300 л бензина. То есть стакан воды из-под крана эквивалентен полному баку. Дейтерия, содержащегося в Мировом океане, хватило бы, чтобы обеспечить текущие энергетические потребности человечества на миллиарды лет.
Правда, для реакции необходим еще и тритий. Однако его можно получить, облучая нейтронами металл литий. Это не самое дефицитное сырье, чему порукой литий-ионные аккумуляторы, питающие каждый современный гаджет. По расчетам экспертов, подтвержденных и легко извлекаемых запасов лития в месторождениях хватит, чтобы обеспечить человечество термоядерной энергией в течение более чем тысячелетия. Если же извлечь литий из морской воды, его хватит на шесть миллионов лет.
Без Чернобыля
Термоядерная энергетика еще и безопасна с экологической точки зрения. Ни исходные продукты (дейтерий и литий), ни отходы реактора (гелий) не радиоактивны. Правда, радиоактивен тритий, но его можно получать тут же на месте. Достаточно включить литий в оболочку реактора, и свободные нейтроны, образующиеся в термоядерной реакции, будут превращать его в тритий. Другими словами, это опасное вещество не нужно отдельно производить, накапливать и перевозить: оно образуется прямо в реакторе и тут же потребляется.
Единственные опасные отходы термоядерных реакторов — это их отслужившие свой срок оболочки (бланкеты). Они принимают на себя ливень образующихся в реакции нейтронов, и в результате часть атомов бланкета превращаются в радиоактивные. Как долго прослужит оболочка, насколько активной она станет в результате, легко ли будет ее утилизировать? Ответы на эти вопросы сильно зависят от конструкции реактора и использованных материалов.
Зато очень важно, что термоядерный реактор в принципе не может пойти вразнос и взорваться. Даже в установке промышленной мощности в каждый момент времени будет находиться всего несколько граммов дейтерия и трития. Этого едва хватит для реакции, и то при идеальной работе оборудования. При любом сбое процесс просто затухнет сам собой. Взрыв реактора, термоядерный или какой угодно, невозможен. Даже если электростанция будет разрушена внешним катаклизмом, будь то землетрясение, удар цунами или теракт, в окружающую среду попадет лишь несколько граммов радиоактивного трития (который к тому же быстро распадется) да активные части бланкета.
И, конечно, термоядерная энергетика будет гораздо экологичнее, чем сжигание нефти, угля и газа. Она позволит обойтись без выбросов в атмосферу вредных для здоровья веществ. Прекратив сжигать углеводороды, мы остановим и выбросы углекислого газа, по мнению большинства климатологов, ведущие к глобальному потеплению.
Укрощение плазмы
Если термоядерные электростанции (ТЯЭС) столь хороши, почему их до сих пор не существует? Между первым ядерным взрывом и пуском первой промышленной АЭС прошло менее десяти лет. Почему же первые ТЯЭС эксперты обещают нам лишь ко второй половине XXI века?
Дело в том, что стоящая перед физиками задача необычайно сложна. В распоряжении ученых нет реактора размером с Солнце, тяготение которого сжимает плазму так, что она становится в 20 раз плотнее стали. Чтобы компенсировать недостаток плотности, исследователи повышают температуру. В установке размером в несколько метров создается плазма, раскаленная до десятков миллионов градусов, что в несколько раз превышает температуру в центре нашей звезды. Это сверхгорячее вещество требуется удержать от контакта со стенками реактора, и это отдельная и очень большая проблема.
Плазма состоит из заряженных частиц: электронов и ионов. Это значит, что ею можно управлять с помощью магнитного поля. Теоретически магнитная ловушка может сколь угодно долго удерживать плазму внутри реактора, не давая ей коснуться его стенок. В реальности все не так просто. Как известно, разноименные заряды притягиваются, а одноименные — отталкиваются, причем эти силы действуют на больших расстояниях. Приведя в движение одну частицу, мы сдвигаем с места все, которые она притягивает и отталкивает, а те в свою очередь тянут за собой новые частицы, и так далее по принципу снежного кома. Неудивительно, что плазма чрезвычайно неустойчива, и малейшие возмущения нарастают в ней как лавина. Управлять такой капризной субстанцией сложнее, чем бешеным конем.
Наконец, постепенно водородная плазма загрязняется посторонними частицами. Поэтому время существования горячей плазмы в современных исследовательских реакторах измеряется секундами. Этого недостаточно для самоподдерживающейся термоядерной реакции, которая сама разогревает для себя плазму. Ее приходится греть с помощью гиротронов (своеобразных гигантских СВЧ-печей) и других устройств. В итоге возникает парадокс: современные термоядерные реакторы потребляют больше энергии, чем вырабатывают. Но физики упорно ставят все новые эксперименты и совершенствуют технологии.
Страна токамаков
Первый в истории токамак был запущен в СССР в 1954 году. Впоследствии в нашей стране было построено еще несколько подобных установок, а по всему миру счет пошел на десятки. Физики всей планеты признают именно этот тип термоядерного реактора самым перспективным, хотя альтернативные варианты тоже не сбрасываются со счетов. Международный реактор ITER, строительство которого стартовало в 2020 году, также представляет собой токамак. Проект начал разрабатываться в середине 1980-х годов, в 1992-м было подписано четырехстороннее (ЕС, Россия, США, Япония) межправительственное соглашение о разработке инженерного проекта, который был завершен в 2001 году.
Именно ITER должен стать первым термоядерным реактором, который выйдет на энергетическую самоокупаемость, то есть обеспечит энергией сам себя. Планируется, что он будет производить 500 МВт, как энергоблок АЭС. Однако ITER — не промышленный, а исследовательский реактор. Он будет буквально напичкан аппаратурой по измерению всего и вся, и поэтому обойдется очень дорого.
После того, как эксперименты на ITER позволят подобрать оптимальный режим работы реактора, в строй вступит первый прототип промышленной установки — DEMO. Однако его запуск планируется не ранее 2040 года.
Но чтобы достичь этих сияющих высот, требуются многочисленные опыты на токамаках, которые меньше и дешевле ITER. До недавнего времени нужные установки были у всех участников проекта ITER (ЕС, США, Японии, Индии, Китая и Южной Кореи), кроме России. Хотя в нашей стране действует несколько токамаков, ни один из них не был похож по конфигурации на будущий ITER.
В связи с этим в 2011 году началась глубокая модернизация токамака Т-15, вступившего в строй еще в 1988 году. В результате из заслуженной установки сделали буквально новый реактор, получивший название Т-15МД. Этот научный инструмент не очень велик: внешний радиус тора составляет всего 1,48 м. При этом плазма в нем разогревается до 60–100 млн градусов и в ней протекает ток в 2 млн ампер. Такие показатели обеспечивает система подогрева плазмы мощностью 15–20 MВт. По соотношению размеров и мощности Т-15МД не имеет аналогов в мире.
Время существования плазменного шнура в новом реакторе — до 30 секунд. Это далеко не рекорд, но вполне достаточно для экспериментов, необходимых для запуска ITER.
Гибридный реактор
Напомним, что тяжелые ядра урана или плутония делятся под воздействием нейтронов. В обычном атомном реакторе источником этих нейтронов служат сами делящиеся ядра. Ядро делится и испускает несколько нейтронов, те попадают в другие ядра и заставляют делиться уже их, и так далее. Это и называется цепной реакцией. Чтобы она не затухла, ядерного топлива в активной зоне должно быть достаточно много. Но если его будет слишком много, произойдет взрыв. Конструкторы и операторы АЭС вынуждены поддерживать этот очень тонкий баланс, нарушение которого грозит катастрофой.
Сегодня в мире нет промышленных подкритических реакторов, но их создание активно обсуждается. Один из главных вопросов состоит в том, где взять достаточно мощный и при этом безопасный источник нейтронов. И очень удачно, что последние рождаются в результате термоядерных реакций.
Представим себе реактор типа Т-15МД, в оболочке которого расположено ядерное топливо. Термоядерные реакции служат только источником нейтронов, поэтому нет необходимости добиваться самоподдерживающейся реакции. Нейтроны попадают в бланкет и вызывают там деление тяжелых ядер, которое и дает энергию. Часть этой мощности тратится на работу токамака, а остаток подается потребителям. Российские физики планируют отработать на Т-15МД основы концепции таких гибридных реакторов.
Благодаря 192 лазерам и температуре в три раза выше, чем в центре Солнца, ученые получили горящую плазму. Это критически важный шаг на пути к самоподдерживающейся термоядерной энергии.
Иллюстрация эксперимента: лучи лазера проникают в хольраум с обоих концов и нагревают мишень. / © Lawrence Livermore National Laboratory через AP
Основная идея управляемого термоядерного синтеза — использовать энергию, которая высвобождается при синтезе более тяжелых атомных ядер из более легких. Например, когда после столкновения атомов водорода образуется гелий, как это происходит на Солнце.
Однако для того, чтобы достаточно сблизить ядра водорода, в свою очередь, необходимо достаточное количество энергии. В так называемой горящей плазме (англ. burning plasma) сами реакции синтеза выступают основным источником нагрева, необходимого для поддержания и распространения реакции. Поэтому получение горящей плазмы — один из ключевых шагов к производству почти полностью экологически чистой термоядерной энергии.
EAST установил новый мировой рекорд: он разогрелся в пять раз сильнее Солнца, проработав в таком режиме примерно 17 минут.
В новой статье исследователи из NIF (англ. National Ignition Facility) в Ливерморской национальной лаборатории смогли инициировать термоядерную реакцию, которая ненадолго поддерживалась сама по себе. Для этого ученые использовали лазерный комплекс, выдающий до 1,9 мегаджоуля энергии в импульсах с пиковой мощностью до 500 тераватт.
В крошечную капсулу ученые поместили несколько миллиграммов тритий-дейтериевого топлива — смеси двух тяжелых изотопов водорода, на которую нацелили 192 лазера. Вместе они нагрели топливо примерно до 100 миллионов градусов, создавая внутри давление в полтора раза выше, чем внутри Солнца. Так ученым на триллионную долю секунды удалось создать горящую плазму, и этого было достаточно, чтобы считать эксперимент успешным.
До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывест.
Эта технология может решить все проблемы жителей Земли. Но она продолжает оставаться скорее фантазией ученых и инженеров, чем спасительным готовым решением.
Введение в термоядерный реактор
Для упрощения понимания физики процесса нужно сказать, что термоядерный реактор работает не так, как традиционная АЭС. Внутри термоядерного реактора (токамака) с помощью электричества разогревается специальный газ, который удерживается в тепловом контуре специальными особо мощными магнитами.
Больше фотографий термоядерного китайского Солнца смотрите в нашей галерее:
Современные термоядерные реакторы воспроизводят процессы, происходящие на Солнце, достигая температур, которые превышают температуру солнечного ядра в 6 раз.
Должен быть маленьким
В 2020 году во Франции, несмотря на мировую пандемию коронавируса, началась окончательная сборка корпусов первого термоядерного реактора ITER. Ключевым элементом реактора должен стать герметичный криостат и вакуумная камера, внутри которых будет поддерживаться процесс термоядерного синтеза. Закончить сборку обещают к 2025 году, а первый пуск намечен на 2026 – 2027 год.
ITER, по мнению многих учёных, — это проект, который обязательно провалится, но закрывать который категорически нельзя. Но тут важно понять, что международные распри даже внутри ЕС и научного сообщества в целом влияют на то, как понимают проблему и устройство термоядерного реактора в мире.
К слову, британцы, считающие ITER бесперспективным, испытывают сразу три реактора разных типов. Первый — Tokamak Energy, основан на классическом понимании принципа получения термоядерной энергии и в некотором смысле копирует решения ITER, только в слегка измененном виде.
Экспериментальный термоядерный реактор ITER. Фото: IOP Publishing / International Atomic Energy Agency / The ITER magnet systems: progress on construction
Второй — совместное решение британского Минэнерго и компании Westinghouse, основанное на быстром реакторе со свинцовым охлаждением.
Профессор физики Войцех Ковалик пояснил, что из-за такой неразберихи у научного сообщества нет точного понимания и единой концепции развития.
Топливное бешенство
Главная проблема состоит в том, что практического применения ни одна из этих топливных сборок, как и сами реакторы, могут не увидеть. Сложность кроется там, где всегда рождается множество споров. Бюрократические тонкости и разногласия учёных привели к тому, что до сих пор ни одной страной мира, ни ведущими агентствами по ядерной энергетике (например, МАГАТЭ) не утверждены рекомендованные к испытаниям термоядерные реакторы.
Уникальная термоядерная установка заработала в РФ в этом году
Запуск года
2021 год, объявленный Годом науки и технологий в России, ознаменовался запуском термоядерной установки токамак Т15-МД — это тороидальная камера с магнитной катушкой.
Токамак Т-15 МД полностью спроектировали и построили в России за 10 лет. Это модифицированная версия реактора Т-15, который работал в Курчатовском институте с конца 1980-х. От своего предшественника он отличается Д-образностью — Т-15 имел круглое сечение плазмы и был сверхпроводящим. Д-образное сечение плазмы, в свою очередь, позволяет получать режим улучшенного удержания, так называемую Н-моду. H-мода — это такой режим существования плазмы, когда теплопотери из нее резко снижаются, а температура в центре нарастает. H-мода является необходимой для получения высоких энерговыходов от термоядерного горения в токамаках. Получать такие режимы в плазме круглого сечения тоже реально, однако в Д-образной плазме можно достичь гораздо более серьезных результатов. Токамак Т-15 МД входит в структуру международного термоядерного проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Это первая построенная в России за последние 20 лет новая термоядерная установка.
Новый токамак размером всего с небольшой дачный домик, но задачи перед ним стоят космического масштаба: он должен запускать термоядерные реакции, которые происходят в недрах звезд. Это возможно, благодаря температуре в токамаке, которая может достигать 100 миллионов градусов цельсия — это в 8 раз больше, чем в центре Солнца. Токамак Т-15 МД будет использоваться для решения исследовательских задач. Освоение технологии управляемого термоядерного синтеза (УТС) позволит получить фактически неиссякаемый и экологически безопасный источник энергии. Такой реактор, благодаря способности работать на безопасном и доступном топливе – дейтерии и тритии — должен помочь заменить атомные электростанции. Так, термоядерный синтез может обеспечить человечество чистой энергией на многие годы вперед, поэтому запуск такой установки — большой шаг на этом пути.
Плазма и другие задачи токамака
Изучать плазму ученым критически важно. В первую очередь, ученые должны выяснить природу удержания энергии и частиц в плазме замкнутых магнитных ловушек и, как следствие, потоков тепла и частиц из плазмы на стенку вакуумной камеры. В будущем это позволит строить более масштабные термоядерные проекты и позволит человечеству решить вопрос возрастающей потребности в электроэнергии, нарастающий с каждым годом.
Из этого вытекают серьезные вопросы – какова роль различных параметров в удержании плазмы, как на удержание и на потоки влияет турбулентность, электрическое поле или профиль температуры плазмы. Ученые уже достаточно много знают об этом, но им всё же еще предстоит многое изучить. Помимо чисто физических задач, которые представляют собой исследования потоков, турбулентности, и роли электрического поля в удержании, существуют ещё и технологические исследования. Они включают в себя взаимодействие плазма-стенка, изучение материалов первой стенки вакуумной камеры, поддержание тока плазмы неиндуктивными методами, а также предотвращение срывов плазмы. Ответы на многие эти вопросы ученые смогут получить, когда Токамак Т 15-МД выйдет на свои полномасштабные возможности эксплуатации. Модернизацию реактора планируется завершить к 2024 году.
Читайте также: