Будущего. Ученые еще 60-70 лет назад искали способы боле дешевой энергии. Способ известен уже давно, но управлять энергией такой мощи и в наши дни остается невозможным. Речь идет о термоядерном синтезе. Управляемый термоядерный синтез - это синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения огромной энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в водородных бомбах), носит полностью управляемый характер.
Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной тем, что в последней используется реакция распада в ходе которой из тяжёлых ядер можно получить более лёгкие ядра. Термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора (атомный реактор) в радиационном отношении. Прежде всего, количество находящихся в нем радиоактивных веществ сравнительно невелико, это делает его экологически почти чистым.
Энергия, которая может выделиться в результате какой-то аварии, тоже сравнительно малая и не может привести к разрушению реактора. При этом в конструкции реактора есть несколько естественных препятствий, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Например, вакуумная камера и оболочка ктиостата должны быть полностью герметичными, иначе реактор просто не сможет работать. Тем не менее, при проектировании большое внимание уделялось радиационной безопасности как при нормальной эксплуатации, так и во время возможных аварий.
Термоядерный синтез, реакция изотопов водорода, в отличии от атомной реакции, термоядерная реакция - это реакция синтеза, в конечном итоге образуется гелий, а гелий образуется с выбросом колоссальной тепловой энергии. Термоядерный синтез возможно получить только в специальном устройстве которое называется токамаком (тороидальная камера с магнитными катушками), советский аналог - синхрофазотрон. Опыты по в области термоядерной энергетики начали проводится в советском союзе еще в 30-е годы прошлого века, но вопрос до сих пор не полностью решен.
Огромная тепловая энергия не управляемая, и используется только в термоядерном оружие. Проект первого в мире термоядерного реактора уже как 10 лет запущен, строительство началось во франции и по словам ученых первый управляемый термоядерный синтез мир увидит в 2026-ом году. Если удастся осуществить синтез, то скорее всего цены на электрическую энергию резко спадут, ведь для термоядерного синтеза нужна только вода...
Для сравнения скажем, что если 1 стакан воды подвергнуть термоядерному синтезу, то можно снабжать электроэнергией небольшой город в течении 1 дня! Вот какой мощью обладает вода! (точнее водород). Но кроме термоядерного синтеза есть еще несколько видов альтернативных способов получения электрической, но об этом вы можете узнать в этого обзора, спасибо за внимание - А. Касьян.
Обсудить статью УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
Управляемый термоядерный синтез - интереснейший физический процесс, который (пока в теории) может избавить мир от энергетической зависимости от ископаемых источников топлива. В основе процесса лежит синтез атомных ядер из более легких в более тяжелые с выделением энергии. 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. На Земле инженеры пытаются воссоздать условия термоядерного синтеза при помощи чрезвычайно высоких температур - порядка 150 миллионов градусов - но им трудно удерживать плазму, необходимую для синтеза атомов.
Одно из построенных решений представлено ИТЭР, ранее известным как Международный термоядерный экспериментальный реактор, который строится с 2010 года в Карадаше, Франция. Первые эксперименты, первоначально запланированные на 2018 год, были перенесены на 2025 год.
Буквально несколько дней назад мы сообщали, что в России будет создан первый
Осенью 1981 года крупнейшие учёные из 27 стран мира приехали в Москву на Европейскую конференцию по управляемому термоядерному синтезу и физике плазмы. Главный итог работы конференции - единодушный вывод о том, что наука сегодня близка к окончательному решению "проблемы века" - управляемого термоядерного синтеза (УТС). На основе бесед с ведущими учёными подготовлен этот рассказ.
Многие специалисты и сегодня задаются вопросом могла бы уже работать термоядерная электростанция, если бы долгое время исследования по термояду не держались в секрете? Если бы у ученых и инженеров разных стран с самого начала была возможность объединить свои усилия? И хотя никто не может с полной уверенностью утвердительно ответить на этот вопрос, всем ясно, что путь к "энергетическому Эльдорадо" оказался бы намного короче.
Почему же всё сложилось не так, как того требовали нужды людей? Этот вопрос прямо не обсуждался на последней научной конференции по термояду. Однако подспудно он владел многими. Потому что честный ответ на него может помочь избежать многих ошибок в будущем.
Обратимся ненадолго к истории - всего к нескольким датам и фактам. В конце 30-х годов была открыта цепная реакция деления ядер, при которой выделяется огромное количество энергии. Увы, воспользовались ею в первую очередь вовсе не для нужд энергетики. В августе 1945 года США сбросили атомные бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки. Советский Союз был вынужден создать своё атомное оружие. Его испытали в 1949 году. Но уже в 1954 году в нашей стране вступила в строй первая в мире атомная электростанция, открывшая эру мирного использования ядерной энергии... Похожая история и с термоядом. Возможность получения энергии при слиянии ядер теоретически была доказана в конце 30-х годов (кстати, при синтезе выделяется энергии примерно в сотни раз больше, чем при делении!). И опять-таки вначале было создано термоядерное оружие. Работа над термоядерным оружием не только отвлекала от мирных исследований термояда, она словно глухой стеной разъединила учёных разных стран: никакого обмена информацией, результатами исследований, идеями. Кто-то должен был сделать первым шаг навстречу. И в 1956 году по инициативе Советского правительства докладом академика И. В. Курчатова, который он прочитал в английском городе Харуэлле, было положено начало регулярному обмену научной информацией, чтобы совместными усилиями ученых разных стран прокладывать пути к мирному использованию термоядерной энергии. Ещё через год советские учёные поделились с зарубежными коллегами идеей, которая определила генеральное направление штурма УТС. Название установок, в основу которых положена эта идея, "Токамак" ныне вошло во все научные словари мира так же, как, скажем, слово "спутник".
Главным образом об этих установках - сегодняшних лидерах в решении проблемы УТС, о проектах новых "Токамаков" шла речь и на последнем, московском, форуме учёных разных стран.
Сама по себе идея термоядерного синтеза кажется простой. Нужно заставить ядра сойтись на расстояние примерно в 10 миллиардных миллиметра и слиться, синтезироваться в одно ядро. В процессе слияния выделяется избыток энергии. В принципе, синтезироваться способны все элементы начала таблицы Менделеева. Однако легче всего (точнее, относительно легко) реакции синтеза могут идти между ядрами изотопов водорода - дейтерия и трития. Но для этого нужно ни много ни мало нагреть смесь этих ядер до 100 млн. градусов Цельсия. А для реакции синтеза на чистом дейтерии и того больше - до миллиарда!
В этом-то и состоит главная трудность. Нагреть вещество до таких температур - задача сама по себе фантастическая! Даже в недрах солнца "прохладней" - не более 20 млн. градусов. Уже при нескольких тысячах градусов вещество становится плазмой - хаосом из электронов и ядер, которые с огромными скоростями мечутся и сталкиваются внутри камеры. И хаос этот становится активнее с ростом температуры. Какой уздой можно удержать его при десятках миллионов градусов? На Солнце это гигантская сила гравитации. А на Земле, в искусственной установке?.. Коварство плазмы ещё и в том, что благодаря высокой теплопроводности она мгновенно отдает свою энергию стенкам камеры и остывает. Как метко заметил известный советский физик профессор Д. Франк-Каменский, нагреть в замкнутом сосуде плазму до миллионов градусов - это тоже самое, что вскипятить воду в стакане... изо льда!
Итак, главная задача - нагреть плазму до нужной температуры и не давать ей коснуться стенок столько времени, сколько нужно для того, чтобы успело прореагировать достаточное количество ядер дейтерия и трития и произошла реакция с выделением огромной энергии.
Решению этой задачи и служит идея, которая наилучшим образом работает в установках "Токамак". (Это слово образовано из первых слогов названия установки "ТОроидальная КАмера с МАгнитным полем") Из школьной физики известно, что заряженная частица не может двигаться поперёк магнитной силовой линии. В однородном магнитном поле частицы движутся вдоль силовых линий, закручиваясь вокруг них. Поэтому, если создать систему замкнутых магнитных силовых линий, то в принципе сих помощью можно удерживать плазму в некотором ограниченном объёме. Образно говоря, незримы "ладони" магнитных полей способны удержать сверхсолнечный жар! "Токамак" и должен был стать надежной уздой для частиц, "взбесившихся" от невероятного, фантастического жара.
Что же представляет собой "Токамак" конструктивно? Внешне он похож на большой трансформатор с железным замкнутым сердечником и обмоткой, по которой пропускают очень сильный ток. Вместо вторичной обмотки трансформатора пустотелая тороидальная камера, напоминающая большой бублик. Внутри этой камеры добиваются перехода вещества в плазменное состояние. До необходимой температуры плазму разогревают сильным электрическим разрядом, мощными токами сверхвысокой частоты и другими способами. А сильное магнитное поле сжимает плазму в плотный кольцевой шнур.
Когда знакомишься с принципиальной схемой "Токамака", поражаешься её простоте - кажется, даже в школьном учебнике приводят схемы посложнее. Грубо говоря, так оно и есть, если забыть на время о реальном устройстве, о конструкции, требующей уникальных материалов; забыть о том невообразимо горячем веществе, что укрощается в "бублике". Так уже в самых первых экспериментах выяснилось, что плазма никак не желает признавать магнитных стенок. Непонятным образом она успевает просачиваться раньше, чем её удается нагреть до нужно температуры. Физики искали средство подавления неустойчивости плазмы, переделывали установку, повышали температуру, и... снова плазма находила новый способ вырваться из магнитного плена! Это подобно путешествию в горах: взята очередная трудная вершина, но с её высоты взору открываются новые перевалы, ущелья, пропасти, которые надо преодолеть на пути к цели...
За три десятилетия пройдена большая часть трудного пути. Каждый его этап - это не дни или месяцы, а годы упорных, сложнейших экспериментов, расчётов, это десятки разочаровывающих неудач и блестящих успехов. И к каждой задаче, которую надо было решать, можно было применить слово "впервые".
Например, впервые предстояло научиться создавать сверхсильное магнитное поле в довольно больших камерах. Причём поле в высшей степени симметричное. При отклонении симметрии уже в доли миллиметра плазма норовила прорваться к стенкам камеры и охладиться.
Был и такой период, когда плазма, надёжно удерживаемая магнитным полем, никак не хотела нагреваться выше всего лишь нескольких миллионов градусов. В конце концов выяснилось: виноваты во всём ничтожно малые примеси тяжёлых элементов в плазме. Но как же они попадали в камеру? Возникло предположение - они испаряются с поверхности металла. из которого сделаны стенки камеры. В итоге электроны плазмы тормозятся в электрическом поле этих элементов, теряют свою энергию, что и приводит к понижению температуры... Понадобились многие годы, чтобы понять и, главное, устранить эту причину.
А проблема так называемой первой стенки реактора? Представьте, в камере за этой стенкой миллионы градусов! Она не испаряется мгновенно потому, что, как мы знаем, плазма "обернута" невидимым магнитным полем. Но изнутри на стенку обрушиваются мощные потоки нейтронов! Материал стенки должен быть предельно стойким, чтобы не разрушаться под действием высоких температур и нейтронов, в тоже время быть максимально "прозрачным" по отношению к тем же самым нейтронам! Ведь именно они выносят из камеры ту самую энергию термоядерного синтеза, которую мы намереваемся дальше превращать в тепло и электричество. не будет стенка "прозрачной", желанная энергия так и останется внутри "бублика". Вот каким парадоксальным требованиям должен отвечать материал первой стенки реактора. Это всё равно как если бы сделать кирпичную стенку, прозрачную для артиллерийских снарядов. Мы метко расстреляли её миллионом снарядов, а она целёхонька - ни единой пробоины.
На создание мощных магнитных полей уходит львиная доля энергии, потребляемой "Токамаком", и пока он больше берёт, чем отдает. Как уменьшить энергетические аппетиты?
Одно из решений проблемы - сверхпроводимость. Известно, что при температурах, близких к абсолютному нулю, электрическое сопротивление некоторых проводников становится бесконечно малым. Ток, однажды запущенный в кольцо такого проводника, может циркулировать в нём как угодно долго почти без потерь. Чтобы практически изучить возможность использования сверхпроводимости в "Токамаках", ученые из института атомной энергии имени И. В. Курчатова построили установку "Токамак-7", магнитные катушки которой выполнены из сверхпроводящих материалов. Это был уникальный опыт в первую очередь для инженеров, материаловедов. Дело в том, что сильнейшие магнитные поля в "Токамаке" становятся врагами сверхпроводимости, уничтожают её. Здесь понадобилось создать и испытать совершенно особые магнитостойкие сверхпроводящие сплавы. По сравнению с обычной магнитной системой сверхпроводящие обмотки Т-7 позволили уменьшить потребляемую из сети мощность примерно в 100 раз!
В 1975 году в Институте атомной энергии была пущена установка "Токамак-10". На этой установке удалось получить плазму с рекордной для того времени температурой - 15 миллионов градусов Цельсия! Здесь впервые появились надёжные признаки того, что в камере "зажигается", пусть ещё первыми искорками, термоядерная реакция. Да, искра может зажечь костёр. Однако и сотня отдельных искр это ещё не костёр. Термоядерные искры гасли. Но уже своим появлением они убедили физиков всего мира в правильности выбранного пути.
Сейчас новая установка - "Токамак-15" - строится в Институте атомной энергии. Объём плазменного "бублика" в нём будет примерно в пять раз больше, чем в Т-10. Зачем это нужно? Дело в том, что при увеличении объема камеры возрастает и число частиц, а следовательно, вероятность их столкновений, которые вызывают реакцию. Плазма в Т-15 будет нагреваться до 70-80 млн. градусов - это уже очень близко к тому, что требуется. Обмотки магнитных катушек у Т-15 будут сверхпроводящими. Это позволит значительно снизить потребление энергии.
Эксперименты на Т-15 и других "Токамаках", как надеются учёные, должны окончательно подтвердить осуществимость самоподдерживающейся реакции синтеза. Если всё пройдет удачно, то останется сделать последний шаг на пути к термоядерным электростанциям. На этом последнем этапе должен быть получен ответ на вопрос: что и как нужно сделать, чтобы собрать тепловую энергию нейтронов и, преобразовав её в электричество, направить на заводы.ю в города, сёла.
Освоить энергию ядерного синтеза, овладеть поистине неисчерпаемым источником энергии - это грандиозная задача. От успеха её решения зависит прогресс всего человечества. Стало быть, и решать эту задачу лучше сообща, силами всех стран, которые располагают необходимыми для этого научными и техническими возможностями. Особенно важно объединить усилия становится на нынешнем этапе исследований - этапе самом ответственном и, пожалуй, самом сложном, требующем огромных материальных затрат.
В 1978 году в Вене на заседании Международного агентства по атомной энергии выступил руководитель советской термоядерной программы академик Е. П. Велихов и от имени Советского правительства предложил специалистам ведущих стран вместе спроектировать и построить большой демонстрационный реактор-токамак. Значение этого выступления, как и выступления И. В. курчатова в 1956 году, трудно переоценить. Это шаг к новому этапу мирного сотрудничества в области термояда. Предложение было принято, и в состав участников строительства первого в истории международного термоядерного реактора вошли СССР, США, Япония и десять наиболее развитых стран западной европы. ИНТОР - такое название получил будущий реактор по первым буквам английского названия - International Tokamak Reactor.
Как же будет выглядеть ИНТОР?
Внешне он будет походить на своих предшественников из семейства "Токамаков" - Т-10, Т-15 и их зарубежных собратьев, отличаясь от них большими размерами. Объём плазмы в ИНТОРе будет примерно в 5 раз больше, чем в "Токамаках" нынешнего поколения, а, как мы уже знаем, это увеличивает вероятность зажигания термоядерной реакции. За 5-6 секунд плазму нагреют до температуры выше 100 млн. градусов. В течение 100 секунд в камере будет идти термоядерная реакция, выделяя энергию, равную той, что дают сегодня атомные реакторы средней мощности, - около 600 МВт. (Для сравнения напомню, что мощность первой АЭС составляла 5 МВт.) затем реакцию прервут, чтобы удалить из камеры продукты сгорания (в основном ядра гелия), которые загрязняют камеру. Потом снова впрыснут порцию термоядерного горючего, и цикл повторится.
Главная, пожалуй, особенность ИНТОРа состоит в том. что здесь впервые пройдут серьёзные испытания и элементы систем, позволяющих практически использовать энергию термоядерного синтеза. Такого рода системы называют "бланкетами" (от английского слова blanket - одеяло.) В простейшем случае бланкет представляет собой пустотелую оболочку, окружающую реактор, внутри которой циркулирует жидкость - скажем, та же вода. Нейтроны, рождающиеся в ходе реакции и несущие энергию термоядерного синтеза, будут поглощаться жидкостью и отдавать ей свою энергию, нагревая её. А дальше по привычной схеме, как в тепловых или атомных электростанциях: вода, нагреваясь превращается в пар, который приводи в движение турбину с электрогенератором.
Бланкет ИНТОРа должен помочь решить ещё одну важную задачу.
Мы уже говорили о том, что поначалу термоядерные реакторы будут работать на смеси дейтерия с тритием - для такой смеси температура зажигания требуется меньшая, чем для чистого дейтерия. Возникает вопрос: как же обстоит дело с ресурсами этого топлива? Что касается дейтерия. то он в изобилии имеется в морской воде, целый океан, не на один век хватит. А где взять тритий? В природе. как известно, его крайне мало.
Ядерная физика и здесь подсказала выход. Можно получить тритий искусственно от другого химического элемента, которого на земле вполне достаточно, - лития, облучая его нейтронами. И это очень важно, делать это можно в том же термоядерном реакторе. В этом-то и состоит вторая важная функция бланкета: помещённый в него литий будет перерабатываться в тритий.
Так что, по идее, реактор должен не только вырабатывать энергию, но и сам себя обеспечивать топливом, как это сейчас и происходит, кстати, в атомных электростанциях на быстрых нейтронах.
Штурм проблемы управляемого ядерного синтеза идёт сегодня широким фронтом. В последние годы получены обнадёживающие результаты и на других направлениях исследований. Можно назвать, в частности, такие варианты, как "лазерный термояд", когда термоядерное горючее нагревается со всех сторон мощными лазерными лучами. Или "электронный термояд". где вместо лучей лазера работают мощные пучки электронов.
Сейчас ещё рано говорить о том, как практически будут воплощены в жизнь эти идеи. "Токамаки" ближе всех подвели учёных к решению проблемы УТС. И именно на этом направлении концентрируются сегодня основные усилия и средства, которые приближают к овладению практически неисчерпаемым источником энергии.
Физика, хотя и является как бы наукой об окружающем мире, всё же достаточно далека от обыденности, то есть она далека от интересов обычных людей. В физике концентрируются люди необычные. Если посмотреть биографии «великих физиков» полностью погруженных в проблемы космоса, то можно видеть, что некоторые из них были клиентами психиатров, другие этого избежали, хотя имели странности в поведении. Впрочем, эти «великие физики» в основном теоретики, космологи, математики, общее их определение — . Есть в многочисленном сообществе физиков и вполне умственно нормальные люди, но это бездельники, любители «сладкой жизни», приспособившиеся «пилить» казённые деньги, обещая государству самые разные блага «вырванные ими у природы» посредством воздействия на неё разными бредовыми теориями, ранее выработанными «британскими уч0ными».
Есть много направлений деятельности этих физиков тупиковых в физическом смысле, но благодатных в смысле денежном. Одно из таких направлений деятельности «пилильщиков» бюджета — создание термоядерного реактора.
Конечно, начиналась история создания термоядерных реакторов форме вполне научных проектов.
В 1949 году была испытана советская атомная бомба, копия американской. Но советские стратеги хотели что-нибудь ещё более сильное и страшное для врагов.
Теоретики ещё в начале XX века решили, что самый эффективный источник энергии это термоядерные реакции, по их мнению, обеспечивающие энергетику звёзд, в том числе и Солнца. . Термоядерные реакции идут только во вспышках на Солнце, при взрывах Новых и Сверхновых звёзд.
Сахаров верил в термоядерный синтез и работал над тем, что, как он считал, будет термоядерной бомбой. Реально он создал более мощную атомную бомбу, за счет добавления в её состав трития и дейтерида лития-6…
Термоядерного синтеза не получилось, но мощность взрыва бомбы Сахарова устроила и военных стратегов и физиков. Бомба была объявлена водородной, а как миф стала распространяться версия, что она была термоядерной. Секрет! Кто проверит!
В возможность неуправляемого термоядерного синтеза на Земле поверили многие физики, поэтому идея получения энергии уже с помощью управляемой термоядерной реакции получила огласку в прессе и финансовую поддержку.
Сахаров решил, что можно в прочном подземном бункере взрывать небольшие водородные бомбы, а выделяющееся тепло утилизировать. Его, понятное дело, не интересовало то, что получение трития энергетически и экономически не окупит получаемую таким способом энергию.
В это же время некий сержант Олег Лаврентьев в письме Сталину предложил удерживать плазму внутри камеры электростатически. Берия обсудил письмо Лаврентьева с Таммом и Сахаровым, которые заявили, что лучше использовать для удержания плазмы магнитное поле.
Курчатов поручил возглавить работы по управляемому термоядерному синтезу Арцимовичу.
Арцимович обнаружил, то, что известно всем, кто когда-либо видел молнию, то есть, он обнаружил, что мощные разряды тока в дейтерии создают тонкий шнур. Шнур пульсировал, сжимаясь и разжимаясь… На шнуре, обозначенном как бы по научному, пинче, при второй волне тока появлялись узлы, они и были источниками нейтронов. () Излучались так же мощные рентгеновские лучи.
Далее идёт история токамаков. С пятидесятых годов XX века до начала III тысячелетия их было сделано почти три десятка. Размеры их, естественно, и стоимость, увеличивались в надежде, что очередной токамак, наконец, выдаст не только нейтроны, но и гелий, то есть термоядерный синтез, наконец, осуществится… Но тщетно. Гелий никогда не выявлялся в описанных экспериментах, то есть термоядерной реакции как не было, так и нет.
Если до 1961 года эксперименты с токамаками всё же можно считать научными, то более поздние «эксперименты» это чистый «распил» бюджета.
В 1961 году академик Б.П. Константинов заявил Арцимовичу в обращение «Почему термоядерная электростанция не будет построена ни в 1980, ни в 2000 году», что его деятельность не только бесполезна, но и вредна.
Константинов пояснил, что реакция дейтерия с дейтерием не может быть заменена на реакцию дейтерия с тритием. Трития нет в природе, его нужно предварительно наработать в ядерных реакторах. При реакции дейтерия с тритием быстрые нейтроны быстро уносят энергию, разрушая все на своем пути, никакие камеры этого не выдержат, быстро будут разрушены, и плазма, которую не удаётся сделать устойчивой, прорвёт стенки и загрязнит окружающую среду, прежде всего сотнями килограммов радиоактивного трития.
Конечно, Константинова и ему подобных, слушать никто не стал. Вокруг «термоядерного синтеза» сформировалась огромная международная мафия «пилильщиков бюджетов», они строили, строят, и будут строить свои никчёмные «термоядерные реакторы». Остановить их, теоретически, могут законодатели, но законодатели что-то могут сделать, и то теоретически, только в своих странах, а научная мафия международная. Но даже в отдельных странах политики приходят во власть только затем чтобы нажиться, поэтому мафия их легко покупает и просвета в этом, впрочем, как и во многих других направлениях «научной» деятельности не видно.
Post Views: 1 751
«Мы сказали, что поместим Солнце в коробку. Идея прекрасна. Но проблема в том, что мы не знаем, как создать эту коробку» - Пьер Жиль де Жен, лауреат нобелевской премии по физике 1991 года.
В то время, как тяжёлых элементов, требующихся для ядерных реакций на Земле и в целом в космосе довольно мало, лёгких элементов для термоядерных реакций очень много как на Земле, так и в космосе. Поэтому идея использовать термоядерную энергию во благо человечества пришла практически сразу с пониманием процессов, лежащих в её основе – это сулило поистине безграничные возможности, так как запасов термоядерного топлива на Земле должно было хватить на десятки тысяч лет вперёд.
Уже в 1951 году появились два основных направления развития термоядерных реакторов: Андреем Сахаровым и Игорем Таммом была разработана архитектура токамака в котором рабочая камера представляла из себя тор, в то время как Лайманом Спитцером была предложена архитектура более замысловатой конструкции по форме более всего напоминающая лист Мёбиуса перевёрнутый не один, а несколько раз.
Простота принципиальной конструкции токамака позволила длительное время развивать это направление за счёт повышения характеристик обычных и сверхпроводящих магнитов, а также путём постепенного увеличения размеров реактора. Но с повышением параметров плазмы постепенно стали также проявляться и проблемы с её нестабильным поведением, которые тормозили процесс.
Сложность конструкции стеллатора и вовсе привела к тому что после первых экспериментов в 50-х годах развитие этого направления на долгое время остановилось. Новое дыхание оно получило совсем недавно с появлением современных систем автоматизированного проектирования, которые позволили спроектировать стеллатор Wendelstein 7-X с необходимыми для его работы параметрами и точностью конструкции.
Атомы железа имеют максимальную энергию связи на нуклон – то есть показатель энергии которую нужно затратить чтобы разделить атом на его составляющие нейтроны и протоны, делённый на их общее количество. Все атомы с меньшей и большей массой имеют этот показатель ниже железа:
При этом в термоядерных реакциях слияния лёгких атомов вплоть до железа выделяется энергия, а масса образующегося атома становится слегка меньше суммы масс исходных атомов на величину, соотносящуюся с выделяемой энергией по формуле E=mc² (так называемый дефект массы). Таким же образом выделяется энергия при ядерных реакциях деления атомов тяжелее железа.
При реакциях слияния атомов выделяется огромная энергия, но для того чтобы извлечь эту энергию нам в начале необходимо приложить определённое усилие для преодоления сил отталкивания между атомными ядрами которые являются положительно заряженными (преодолеть кулоновский барьер). После того как нам удалось сблизить пару атомов на необходимое расстояние в действие вступает сильное ядерное взаимодействие, которое связывает нейтроны и протоны. Для каждого вида топлива кулоновский барьер для начала реакции отличается также, как и отличается оптимальная температура реакции:
При этом первые термоядерные реакции атомов начинают фиксироваться задолго до достижения средней температурой вещества этого барьера благодаря тому, что кинетическая энергия атомов подвержена распределению Максвелла:
Но реакция при относительно низкой температуре (порядка нескольких млн °C) идёт крайне медленно. Так скажем в центре температура достигает 14 млн °C, но удельная мощность термоядерной реакции в таких условиях составляет только 276,5 Вт/м³, а для полного расходования своего топлива Солнцу требуются несколько млрд лет. Такие условия являются неприемлемыми для термоядерного реактора, так как при таком низком уровне выделения энергии мы неизбежно будем затрачивать на нагрев и сжатие термоядерного топлива больше, чем будем получать от реакции взамен.
По мере роста температуры топлива всё большая доля атомов начинает обладать энергией, превышающий кулоновский барьер и эффективность реакции растёт, достигая своего пика. С дальнейшим повышением температуры скорость реакции снова начинает падать уже за счёт того, что кинетическая энергия атомов становится слишком большой и они «проскакивают» мима друг друга не в состоянии удержаться сильным ядерным взаимодействием.
Таким образом решение как получить энергию из управляемой термоядерной реакции было получено довольно быстро, но вот реализация этой задачи затянулась на полвека и так ещё до конца и не закончена. Причина этого кроется в поистине безумных условиях, в которые оказалось необходимо поместить термоядерное топливо – для положительного выхода от реакции его температура должна была составлять несколько десятков млн °C.
Такую температуру физически не могли выдержать никакие стенки, но эта проблема почти сразу привела и к её решению: так как разогретое до таких температур вещество является горячей плазмой (полностью ионизованным газом) которое заряжено положительно, то решение оказалось лежащим на поверхности – нам просто надо было поместить такую разогретую плазму в сильное магнитное поле, которое будет удерживать термоядерное топливо на безопасном расстоянии от стенок.
Исследования по данной теме идут в нескольких направлениях сразу:
Не смотря на все трудности и проблемы, лежавшие на пути к управляемой термоядерной реакции, эта история уже приближается к своему финалу. В энергетике принято использовать показатель EROEI – energy return on energy investment (соотношение затраченной энергии при производстве топлива к тому объёму энергии, который мы из него получаем в итоге) для расчёта эффективности топлива. И в то время как EROEI угля продолжает расти, то этот показатель у нефти и газа достиг своего пика в середине прошлого века и теперь неуклонно падает за счёт того, что новые месторождения этих топлив находятся во всё в более труднодоступных местах и на всё больших глубинах:
При этом наращивать производство угля мы также не можем по той причине, что получение энергии из него является очень грязным процессом и буквально уносит жизни людей прямо сейчас от различных заболеваний лёгких. Так или иначе мы сейчас стоим на пороге заката эры ископаемых топлив – и это не происки экологов, а банальные экономические расчёты при взгляде в будущее. При этом EROI у экспериментальных термоядерных реакторов, появившихся также в середине прошлого века, неуклонно росли и в 2007 году достигли психологического барьера в единицу – то есть в этом году человечеству впервые удалось получить посредством термоядерной реакции больше энергии, чем затратить на её осуществление. И несмотря на то что на реализацию реактора , эксперименты с ним и производство уже первой демонстрационной термоядерной электростанции DEMO на основе полученного при реализации ITER опыта потребуется ещё много времени. Уже нет никаких сомнений в том, что за такими реакторами находится наше будущее.
Основная критика исследований в области термоядерных реакторов основана на том, что исследования идут крайне медленно. И это правда – от первых экспериментов до производства безубыточной термоядерной реакции нам потребовалось целых 66 лет. Но суть проблемы тут заключается в том, что финансирование таких исследований никогда не достигало необходимого уровня – вот пример оценок Администрации энергетических исследований и разработок США по уровню финансирования проекта постройки термоядерного реактора и времени его завершения:
Как видно по этому графику – удивительно не то что мы до сих пор не имеем коммерческих термоядерных реакторов, производящих электроэнергию, а то, что мы вообще смогли добиться какого-то положительного выхода энергии из экспериментальных реакторов на данный момент.
