Концептуальный термоядерный синтез Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития. Физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии, чем потребил. И все из-за нового термоядерной установки токамак, аналогов которой нет нигде в мире. Китайский термоядерный реактор поставил рекорд в ядерной энергетике. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский.
Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
Порт-плаг одновременно служит и «окном» в горячую область, так как является носителем многочисленных диагностических устройств, и «пробкой» на пути потока нейтронов, генерируемых в плазме. В защитных модулях порт-плагов разместят диагностические системы, поставляющие информацию о состоянии вещества на центральный пульт. В 2019 г. Интеграционная площадка для сборки порт-плагов уже готовится. Это будет «чистое» помещение, где содержание пыли, микроорганизмов, аэрозольных частиц и химических паров будет постоянно контролироваться и поддерживаться на определенном уровне. Поэтому все работы должны быть закончены уже к 2023 г. И сейчас у института горячее время, а через год станет еще горячее. К примеру, итоговый вариант экваториального порт-плага, за производство которого взялся ИЯФ, разительно отличался от первоначального.
Уже в процессе работы стало очевидно, что придется искать новые материалы и технологии. Так, для работы над проектом в институте освоили технологию глубокого сверления. В классическом варианте вращается деталь, а сверло неподвижно. А для того, чтобы убрать стружку, которая забивает полость сверления, в сквозное отверстие самого сверла пускают охлаждающую жидкость под большим давлением. Но если деталь большая и неподвижная, как в нашем случае, то вращаться должно сверло, и направить жидкость в полость сверления гораздо сложнее. Подобной технологии в ИЯФ не было, поэтому институт купил и модернизировал под свои нужды соответствующее оборудование. Теперь мы можем сверлить на два метра с двух сторон с хорошей точностью.
Одна из особенностей этого материала — тщательно контролируемый химический состав, обеспечивающий нужный уровень примесей и легирующих элементов. Пока сделан полномасштабный опытный образец элемента диагностического защитного модуля, другими словами, верхняя крышка. Работа ведется, можно сказать, по методу последовательного приближения: сначала создается макет, а затем по результатам испытаний происходит корректировка проекта вплоть до стадии прототипирования и постановки на производство. Такой регламент очень важен, так как любой инженерный просчет ставит под угрозу весь проект» В работе по проекту ИТЭР новые технологии требуются буквально на каждом этапе. Как следствие, в институте появляется комплексное высокотехнологичное оборудование, которое ИЯФ будет использовать и для своих собственных проектов. То же самое относится и к новым материалам. Сейчас мы совместно с Новосибирским электровакуумным заводом начинаем исследовательскую работу по разработке более дешевой технологии производства этого нужного материала.
Но здесь ученым удалось достичь положительного КПД, причем уже трижды. Как утверждают в лаборатории LLNL, лазеры направили в камеру реактора около 2 мегаджоулей энергии, а в результате синтеза выделились более 3 мегаджоулей. Так что, готовимся устанавливать термоядерный реактор в каждый дом? Сомневается популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский: Дмитрий Побединский популяризатор науки, автор YouTube-канала «Физика от Побединского» «Многие считают, что это довольно сомнительно, потому что очень много мощных лазеров фокусируются на очень маленькой мишени, в которой запускается в небольших масштабах замедленная реакция и очень быстро выделяется много энергии.
По сути, получается маленький термоядерный взрыв. И как преобразовывать выделяющуюся энергию в полезную мощность — большой вопрос. Ее много выделяется за очень короткое время. Конкретно эта технология в плане эксперимента наверняка интересная, но в практическом и энергетическом плане с этим намного сложнее.
Если говорить в целом о термояде, это, конечно, десятки лет.
В 1960-х годах группа ученых-первопроходцев из LLNL выдвинула гипотезу, что лазеры можно использовать для индукции термоядерного синтеза в лабораторных условиях. Ученые развивали идею термоядерного синтеза с инерционным удержанием в лаборатории в течение почти 60 лет, пока впервые достигли успеха. Хотя текущее количество энергии, которое получает установка, лишь незначительно превышает затраты, возможность выхода в «плюс» — большой прорыв для термоядерной энергетики.
Читать далее:.
Лазерное излучение может довести давление до 108 — 1011 атмосфер и даже выше. Работать это все должно было так: лазерные импульсы, несущие огромную энергию сразу со всех сторон, должны был испарять внешние слои сферической мишени размером в миллиметр, что вызывало бы схлопывание оставшейся части к центру. И там, в момент наибольшего сжатия, возникали бы условия для «зажигания» небольшой части смеси дейтерия и трития в центре мишени — от 2 до 5 процентов общей массы, которые разогревали бы оставшееся тело мишени. Но достичь успеха удалось не сразу. Любые неравномерности в обжатии мишени разрушали ее задолго до момента схлопывания к нужному размеру и достижения нужной плотности и температуры. Ученые подыскивали способы эффективнее обжимать топливные капсулы. Изначальная концепция нагрева и сжатия капсулы лазерами потребовала бы порядка 100 мегаджоулей, но физики придумали вариант, где разгоняющиеся внешние плотные слои из топливного льда сжимают газовую топливную смесь, разогревая ее ударной волной сжатия — такая концепция требовала уже 2-3 мегаджоуля, в 30 раз меньше! Параллельно ученые в попытке добиться инерциального конфайнмента пробовали и увеличить «массу молотка», то есть энергии, которая «вкачивалась» в мишень за один выстрел начав с единиц килоджоулей, физики к 1980-м пришли к энергиям в десятки, а то и сотню килоджоулей за выстрел , так и поменять саму схему эксперимента. В середине 1970-х годов физики решили поставить между лазерным излучением и мишенью посредника, то есть попробовать метод «непрямого воздействия».
В этом варианте топливная капсула размером в миллиметр подвешивалась в центре небольшого золотого или свинцового сосуда, который получил название хольраум от немецкого Hohlraum, «пустое пространство, полость», термин взят из работ Макса Планка , посвященных излучению абсолютно черного тела. Детали их производства оставались в секрете до 1994 года. Под действием излучения лазера внутренняя поверхность сосуда становилась источником рентгеновского излучения, которое и попадало в мишень, запуская термоядерную реакцию. В рентген должно было превращаться от 70 до 80 процентов энергии лазерного излучения. В этом варианте поток излучения гораздо более равномерен и капсула, в теории, должна была сжиматься ровно, без искажения формы. Впрочем, на практике путь к этому оказался долгим. Рождения героя После нескольких промежуточных установок поменьше, в 1997 году США запустили строительство гигантской лазерной установки NIF стоимостью около 2 миллиардов долларов, которая должна была продемонстрировать работоспособность концепции и так называемый breakeven — равенство или превышение выхода термоядерной энергии над энергией лазеров, которая по проекту должна была составить 1,8 мегаджоуля. Проблемы NIF, как прототипа термоядерной электростанции, были видны еще до начала строительства — даже если бы 1,8 мегаджоуля термоядерной энергии получалось бы в каждом выстреле, затраты энергии «из розетки» все равно составляли бы скорее 500 мегаджоулей, а количество выстрелов не превышало бы 2-3 в сутки. Кроме того, мишени для NIF представляли собой произведение криогенного ювелирного искусства: капсула миллиметрового размера и сверхточной формы наполняется топливом при температуре 15 кельвин и поддерживается при этой температуре в процессе помещения в установку и до момента эксперимента. Ну и разумеется, никакой энергоустановки в проекте предусмотрено не было, термоядерное тепло просто рассеивалось через градирни.
В реальности все оказалось еще скромнее. Установка произвела первые полноценные выстрелы в 2010 году и вместо мегаджоулей термоядерной энергии ученые увидели сотни джоулей. Три года непрерывных усилий по совершенствованию установки привели к первому breakeven — выходу около 15 килоджоулей термоядерной энергии, что было больше, чем сообщали рентгеновского тепла стенки сосуда с капсулой. Однако это было далеко от того, что обещали до начала строительства NIF. Впрочем, основного заказчика этой установки все устраивало. Дело в том, что условия, создающиеся в топливной капсуле и хольрауме очень похожи на то, что происходит в термоядерном боеприпасе в момент срабатывания. И изначально NIF создавался как большой стенд для верификации нового поколения программ, симулирующих поведение ядерного оружия, а энергетическое направление было приятным бонусом, на который выделялось меньше трети фондирования.
Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 470-478
| Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы | Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times. |
| Международный экспериментальный термоядерный реактор — Википедия | Хотя об этом еще не было объявлено публично, эта новость быстро распространилась среди физиков и других ученых, изучающих термоядерный синтез. |
| Поддерживаемый Биллом Гейтсом стартап по термоядерному синтезу превзошел температуру Солнца | Ученые Института ядерной физики а СО РАН (ИЯФ, Новосибирск) добились ускорения плазмы в термоядерной установке "СМОЛА", где вещество удерживается. |
| Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку | Физик объяснил важность создания прототипа российского термоядерного реактора. |
ядерная физика
Физики впервые запустили самоподдерживающийся термоядерный синтез, но не смогли это повторить. Термоядерный синтез представляет собой процесс, во время которого два лёгких атомных ядра объединяются в одно более тяжёлое с высвобождением большого количества энергии. Пара слов о физике плазмы: на волне Волна боянов, Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост.
Прорыв в термоядерном синтезе
При такой температуре установка проработала 17 минут 36 секунд, уточнило издание South China Morning Post. Установка находится в городе Хэфэй провинции Аньхой. EAST к представляет собой установку в форме бублика для магнитного удержания плазмы. Термин «токамак» придумал советский физик Игорь Головин еще в конце 1950-х годов. Сейчас экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак называют «искусственным солнцем». В своей работе он имитирует реакцию ядерного синтеза, питающую настоящее Солнце. Первый пуск EAST состоялся в 2006 году. Установку построили на основе модифицированного реактора HT-7. Радиус ее внешнего корпуса составляет 1,7 метра. В мае 2021 года ученым удалось установить первый рекорд.
Экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак EAST непрерывно и стационарно с плазмой с длинным импульсом в течение 403 секунд. Это является ключевым шагом на пути к разработке термоядерного реактора, передает информагентство Синьхуа. Прорыв, достигнутый после более чем 120 000 попыток, значительно улучшил предыдущий мировой рекорд токамака в 101 секунду, установленный в 2017 году. Такие же процессы происходят на Солнце, а сырьем для термоядерной энергии может быть обычная морская вода.
Учёным из США впервые удалось провести реакцию ядерного синтеза С получением большего количества энергии, чем было затрачено Учёные в США впервые в истории успешно провели реакцию ядерного синтеза. Как сообщают различные источники, учёные из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии провели реакцию синтеза, получив больше энергии, чем было затрачено. До этого все подобные эксперименты всегда характеризовались затратами, превышающими полученную энергию. Официального объявления ещё не было.
Термоядерный синтез — реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромного количества энергии. Неуправляемая взрывная форма такой реакции происходит внутри звезд. В 1950—1960-х годах ученые предположили, что для получения термоядерной энергии необходимо использовать лазеры. С их помощью можно создать огромное давление и температуру, которые необходимы для запуска реакции. Спустя несколько десятилетий управляемый термоядерный синтез удалось провести в лабораторных условиях.
Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
Российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора. Актом термоядерной реакции является слияние двух тяжелых ядер водорода (дейтерия с дейтерием или дейтерия с тритием) в ядро гелия. — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития. Термоядерный синтез представляет собой процесс, во время которого два лёгких атомных ядра объединяются в одно более тяжёлое с высвобождением большого количества энергии.
Термоядерный синтез вышел на новый уровень: подробности
И создавать тягу. Если верить расчетам, то космический аппарат с таким двигателем сможет разогнаться до 804 672 километров в час. К примеру, 55 миллионов километров - расстояние между Землей и Марсом — он мог бы преодолеть меньше, чем за трое суток. В два раза быстрее, чем поезд идущий от Москвы до Владивостока. Принципиальная схема термоядерного двигателя Основа двигателя камера длиной в 8 метров с магнитными ловушками — в ней будет разогреваться и удерживаться от контакта со стенками термоядерная плазма.
Новосибирские физики ускорили плазму в установке - основе термоядерного ракетного двигателя 28 декабря 2022, 14:07 Новосибирск. Есть мысль про двигатель термоядерный и так далее. Там активно работает молодая команда", - рассказал он. Кроме того, отметил Багрянский, установлено, что спиралевидное магнитное поле очень эффективно ограничивает поток плазмы, то есть удерживает его.
Волна термоядерных реакций превращает дейтериево-тритиевое топливо в высокоэнергетический гелий и нейтроны, которые можно улавливать для выработки тепла и электричества. Хотя подход Z-пинч тестировался еще в 1950-х, исследователи столкнулись с проблемой быстрого угасания плазмы. Zap заявляет, что решила ее с помощью стабилизации сдвигового потока — инновации, которая теоретически может продлить срок жизни Z-пинч плазмы почти до бесконечности. Однако выбранное Zap топливо — тритий, безумно дорогое.
О первых успехах учёные отчитались в 2014-м, однако производимая тогда реакцией энергия была крохотной — примерно столько потребляет 60-ваттная лампочка за пять минут. На коммерциализацию и широкое распространение данной технологии могут уйти десятилетия — так сказала Кимберли Будил, директор Ливерморской национальной лаборатории. Технология развивается, и при нужных усилиях и соответствующих инвестициях мы через несколько десятилетий исследований сможем построить электростанцию.
Термоядерный синтез
| Самая грандиозная научная стройка современности. Мы закуем Солнце в «бублик» | Хорошие новости продолжают поступать в области исследований ядерного синтеза. |
| Американские физики повторно добились термоядерного зажигания | Эксперимент, в ходе которого был преодолен порог термоядерного синтеза, проводили на установке National Ignition Facility (NIF). |
| Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака | Как рассказал Михаил Ковальчук, для проведения фундаментальных исследований в области термоядерной физики первым делом приобретаются подобные установки. |
| Ядерная физика — узнай главное на ПостНауке | Когда говорят о термоядерных исследованиях и пытаются объяснить назначение сложнейших систем того же ИТЭР, приводят для сравнения процессы внутри Солнца и других звезд. |
| Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку | Аргументы и Факты | — Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. |
Термоядерный запуск. Как Мишустин нажал на большую красную кнопку
Реакции термоядерного синтеза позволяют получать энергию без радиоактивных отходов и оставления углеродного следа. Когда говорят о термоядерных исследованиях и пытаются объяснить назначение сложнейших систем того же ИТЭР, приводят для сравнения процессы внутри Солнца и других звезд. Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times.
Термоядерную установку, у которой нет аналогов в мире, запустили в Курчатовском институте
На комплексе, в основном, проводятся исследования с мишенями непрямого облучения. Направления этих исследований: лазерный термоядерный синтез, взаимодействие лазерного излучения с плотной плазмой, физические процессы в горячей и плотной плазме и магнитосферных бурях. Асимметрия создавалась нарушением однородности рентгеновского поля на поверхности сферически симметричной стеклянной капсулы. Проведенное сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами газодинамических расчетов сжатия центральных капсул по программе МИМОЗА-НД, с параметрами мишени и рентгеновского импульса, соответствующими эксперименту, позволяет констатировать качественное и количественное согласие между экспериментальными и расчетными данными в широком диапазоне изменения асимметрии рентгеновского поля. Наблюдается удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных значений нейтронного выхода во всем исследованном диапазоне сдвигов. Эти результаты показывают, что, несмотря на чрезвычайно широкий диапазон изменения характера газодинамического течения, наблюдается удовлетворительное согласие расчетного и экспериментального значений нейтронного выхода и времени сжатия капсулы с DT-газом. Впоследствии данная установка получила название "УФЛ-2M". Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений физики высоких плотностей энергии. Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения.
Мишени прямого облучения представляют собой полую стеклянную или полимерную сферическую оболочку с высокой однородностью толщины, заполненную либо газообразной смесью дейтерий-тритий, либо дейтерием. Диаметр сферы от 200 до 1000 мкм, толщина стенки 0,5—15 мкм, давление газа внутри оболочки 1—100 атм.
По его словам, температура и плотность частиц значительно увеличились во время работы с плазмой с высоким уровнем удержания, что заложит прочную основу для повышения эффективности выработки электроэнергии будущих термоядерных электростанций и снижения затрат. В Китае уже утвержден проект постройки нового испытательного реактора следующего поколения Fusion Engineering. Воспроизвести процессы, идущие в сердцах звезд, — непростая задача. Наиболее распространенная конструкция термоядерных реакторов — токамаков — работает за счет перегрева плазмы.
При диагностике лазерного излучения и исследованиях плазмы на мощных лазерных установках ИЛФИ "Искра-5", "Луч" для проведения с субнаносекундным временным разрешением временной, пространственно-временной и спектрально-временной регистрации используются фотохронограф с щелевой разверткой СЭР-4 — для видимого и ближнего ИК-излучения, рентгеновский фотохронограф с щелевой разверткой РФР-4 — для мягкого и сверхмягкого рентгеновского излучения.
Инфракрасный многокадровый фоторегистратор КИТ-3М базируется на полупроводниковой камере ионизационного типа и многокадровой электронно-оптической камере. Области применения: диагностика излучения лазеров ИК диапазона; развитие новых индустриальных технологий с использованием лазерной сварки, резки и закалки металлов; газодинамические исследования плавление металлов на ударной волне, изучение отколов, изучение динамики ударных волн ; дистанционная регистрация динамики тепловых полей тел при ударном и аэродинамическом нагружении; импульсная электродинамика. Исследование мишеней инерциального термоядерного синтеза на основе тяжелоионного ускорителя Проблема зажигания термоядерного горючего в системах является одной из ключевых в разработке термоядерного реактора. Для систем на основе тяжелоионного драйвера при традиционном однопиковом режиме облучения необходима энергия ионного потока по представлениям на сегодняшний день 5—10 МДж в зависимости от степени оптимизма исследователей. Во ВНИИЭФ предложена оригинальная схема термоядерной мишени с тяжелоионным драйвером и выполнены тщательные расчетные исследования ее параметров. Некоторые физические процессы, протекающие при работе мишени, моделировались в экспериментах на установке "Искра-5". Результаты исследований докладывались на различных международных симпозиумах и конференциях.
Энергия 5—10 МДж является достаточно высокой, поэтому ищутся возможности снижения энергии драйвера и, следовательно, мощности термоядерного импульса. Это можно сделать в режиме быстрого зажигания fast ignition. В этом режиме первичной порцией энергии драйвера термоядерная область сжимается до высоких плотностей при сравнительно низкой температуре ионов.
Но как удержать плазму и довести ее параметры до необходимых термоядерных значений? Это возможно в магнитном поле. Одно из физических устройств для удержания плазмы в магнитном поле соответствующей конфигурации называется «токамак» — тороидальная камера с магнитными катушками. О том, каким путем шли и идут научные исследования, связанные с токамаками, о возможности альтернативы атомным электростанциям, а также о том, как управлять плазмой с термоядерной реакцией с помощью математических моделей и систем автоматического управления, и насколько важную роль в этом может сыграть международное научное сотрудничество, мы поговорили с Юрием Владимировичем Митришкиным, доктором технических наук. Объясните пожалуйста, суть процесса!
Термоядерная реакция — это слияние ядер легких элементов с выделением энергии. Самое близкое по порогу получение термоядерной реакции — это смесь дейтерия с тритием. Это газ, поступающий через клапаны в тороидальную вакуумную камеру. В камере образуется меняющееся магнитное поле за счет изменения токов в окружающих камеру катушках, оно создает вихревое электрическое поле, которое пробивает газ, образуется плазма и ток в ней, при этом плазма начинает греться за счет прохождения в ней тока. Токамак — это и есть та самая тороидальная камера с магнитными катушками, в которой все происходит. Много таких технологий. Проблема термоядерного синтеза разрабатывается давно, шесть десятков лет, и флагманом в этой области сейчас служит сооружаемый во Франции ITER International Thermonuclear Experimental Reactor — Международный термоядерный экспериментальный токамак-реактор. Для него развиваются технологии.
Этих технологий много, и много связанных с ними сложностей: например, проблемы материалов первой стенки, роботов, которые могут заменять бланкет через определенное время, проблемы магнитного и кинетического автоматического управления плазмой, их интегрирования и много разных других. Но надо понимать, что термоядерный реактор ITER — это не термоядерная электростанция. Вся термоядерная энергия, которая получается внутри него, будет рассеиваться в окружающем пространстве. Однако термоядерная реакция в ITER будет происходить в любом случае, и будет происходить усиление мощности — то есть, на один вложенный ватт за счет термоядерной реакции будет получено 10 ватт. Зачем нужен термояд? Прежде всего для мировой промышленности. Дело в том, что уже в ближайшее время, где-то к 2050-му г. Потому что чем выше уровень цивилизации, тем больше энергии она требует.
И, несмотря на то, что пока еще сохраняются ресурсы нефти, угля, газа, дефицит энергии никак не покроешь за их счет. Единственный выход — это термоядерная энергетика. Вот над этим и работают исследователи, особенно в Европе, и лидеры там — немцы. Это уникальная нация, и они это сделают — создадут термоядерную энергетику. А мы, если всерьез не возьмемся за разработки в этой области, окажемся на задворках истории в решении столь серьезной проблемы. Известны две дорожные карты. Одна — с очень дорогими термоядерными электростанциями, огромными по размеру, до 9 метров большого радиуса тора токамака-реактора. Вторая — с дешевыми, всего 6 американских центов за 1 квт-час электроэнергии, и 1,6-2,0 метров большого радиуса, и это можно сделать на сферических токамаках, на одном из которых мы и работаем, разрабатывая для него системы управления плазмой.
Но можно говорить об их разнообразии? Да, существуют различные сферические токамаки. Они сферические в том плане, что у них аспектное отношение, то есть отношение большого радиуса токамака к малому, составляет, примерно, 1,5, а все другие, конвенциальные, имеют аспектное отношение, приблизительно, 3-4 и выше, и это, в отличие от сферических, не может дать дешевую электроэнергию. Можно строить небольшие установки модульного типа, а потом их наращивать, допустим, вместо одного модуля сделать 10. Модуль — это небольшая часть всей термоядерной установки, это одна независимая небольшая термоядерная электростанция. Это приведет к снижению цены за электроэнергию по современным представлениям. Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука — это физика высокотемпературной плазмы. Большая, серьезная наука, не все могут ее понимать и осваивать.