Как люди пытаются освоить термоядерный синтез

N+1Наука

Солнце — в бутылку!

Как люди пытаются освоить термоядерный синтез и почему проект ИТЭР играет в этом ключевую роль

Валентин Гибалов

В 60-е годы ХХ века потребности человечества в энергии выросли. Чтобы удовлетворить их, ученые обратились к идее освоения термоядерной энергии. Она получается в результате слияния легких атомов в более тяжелые. Энергия звезд. N + 1 вместе с ГК «Росатом» разобрались, куда сегодня зашли эти идеи и где в них место проекту ИТЭР.

Содержания изотопа водорода дейтерия в океанах хватит на 150 миллионов лет потребления цивилизацией. Реакция слияния дейтерия в гелий примерно в 5 миллионов раз более энергоемка, нежели горение углеводородов. В середине прошлого века идея казалось понятной и простой. Перед учеными маячила перспектива почти мгновенной разработки и освоение другой атомной энергии — деления.

Калейдоскоп концепций

К середине ХХ века был дейтерий активно использовали в лабораторной физике и химии, но получению из него энергии мешали физические сложности. Наиболее простой способ — ядерная реакция слияния (или синтеза) D +T -> He4 + n + 17,6 МэВ, где D и T — тяжелые изотопы водорода, He4 — получившийся обычный гелий, n — нейтрон и 17,6 — выделившаяся энергия.

К сожалению, в отличие от химических, в пробирке такая реакция не происходит. Зато неплохо идет, если смесь трития и дейтерия нагреть до 100 и более миллионов градусов. Тогда атомы начинают двигаться с такой скоростью, что при столкновении по инерции преодолевают силы кулоновского отталкивания и сливаются в гелий. Энергия выделяется в виде осколков: очень быстрого нейтрона, уносящего 80 процентов энергии, и чуть менее быстрого ядра гелия (альфа-частицы). Разумеется, при «рабочей» температуре все вещество — плазма, то есть атомы существуют отдельно от электронов. Любой осевший электрон будет потерян при первом же столкновении столь энергично движущегося вещества.

За 1950-е и 1960-е годы были выдвинуты десятки предложений, как именно должен выглядеть реактор с такой плазмой. В основном речь шла об удержании плазмы из дейтерия и трития магнитным полем различных конфигураций, а также балансировкой утечки тепла искусственным подогревом различными методами и выделяющейся термоядерной энергией. Физики придумали линейные разряды с самообжимом Z-pinch, цилиндрические магнитные «емкости» с открытыми концами «открытые ловушки», тороидальные камеры с магнитными катушками «токамаки», петлевые «стеллараторы», варианты с самоподдерживаемыми вихрями — сферомаки и FRC и множество других.

Быстро выяснилось, что физика установок очень непроста. Ученые столкнулись с тремя главными проблемами:

  1. Коллективные явления в плазме. Четвертое состояние вещества отличается крайне сложным поведением. Обусловлено это тем, что заряженные частицы «‎чувствуют» друг друга через электрические и магнитные поля. Наличие многих степеней свободы, совокупность кинетических, магнитных, электрических явлений приводили к тому, что плазмой было сложно управлять, сложно считать и сложно прогнозировать. В экспериментах по управлению плазменными образованиями постоянно всплывали неприятные особенности.
  2. Абстрактная «сложность поведения» при попытке создать термоядерный реактор вылилась в класс явлений, названных «неустойчивостями плазмы». Плазменные шнуры под воздействием магнитных полей извивались и перекручивались. В них возбуждались высокочастотные колебания плотности, тока и выбрасывались пучки электронов. Сейчас известно порядка 200 типов неустойчивостей, которые ограничивают возможности по созданию разных типов реакторов. Так, например, популярные в 1950-х конфигурации линейного разряд Z-pinch «умерли» именно из-за открывшихся неустойчивостей.
  3. Кроме «новой физики», которая была открыта в плазме при попытке быстро получить термоядерный реактор, никуда не делась классическая проблема теплоизоляции. Нагретое вещество теряет тепло, даже будучи подвешенным в вакууме магнитным полем, через излучение. Здесь природа впервые улыбнулась ученым: если бы для полностью ионизированной плазмы продолжал действовать закон Стефана-Больцмана, при котором мощность излучения зависит от температуры как ~T4, даже термоядерное горение не способно было бы преодолеть потерю тепла. Однако, если от атома оторвать все электроны, этот закон перестает работать. На практике, впрочем, выяснилось, что все атомы тяжелее кислорода в термоядерной плазме ионизированы не полностью и сливают тепло с большой скоростью. Так в термоядерные установки пришли культура ультравакуумной чистоты и легкие материалы (например, углерод, литий и бериллий). Вторым путем «‎слива» энергии из плазмы были неустойчивости, переводящие кинетическую энергию в электромагнитное излучение. Как результат, первые 30 лет создания установок управляемого термоядерного синтеза — это история борьбы за рекорд температуры.

Новая надежда

В 1968 году советские ученые заявили, что в тороидальной плазменной ловушке типа ТОКАМАК, изобретенной пятнадцатью годами ранее Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, вещество удалось нагреть до 10 миллионов градусов. Это значение температуры в несколько раз превышало рекорды других установок. Начавшая подувядать идея освоения термоядерной энергии, к тому моменту 15 лет барахтавшаяся в проблемах, получила второе дыхание. Токамаки по советским лекалам начали строить по всему миру. К 1978 году американские, европейские, советские и японские токамаки, соревнуясь между собой, достигли рубежа в 100 миллионов градусов — пусть при плотности, недостаточной для обеспечения баланса самоподдерживающегося горения, пусть на десятки миллисекунд — но достигли.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

10 примет времени, изменивших наш быт 10 примет времени, изменивших наш быт

Forbes представляет 10 самых ярких примет нашего времени

Forbes
Игры с компьютером: с чего все начиналось Игры с компьютером: с чего все начиналось

Первая игра для двоих, первая игра для женщин и другие первые компьютерные игры

Weekend
На живую нитку На живую нитку

Нить здесь не метафора, а основной материал, с которым работают художники

Огонёк
Эйнштейн Эйнштейн

Его жизнь и его Вселенная

kiozk originals
Темные начала: как Кристофер Нолан перевернул с ног на голову вселенную Бэтмена Темные начала: как Кристофер Нолан перевернул с ног на голову вселенную Бэтмена

Вдумчиво рассматриваем трилогию «Темный рыцарь» от Кристофера Нолана

Esquire
Кровь — не водица: когда родственные связи в тягость Кровь — не водица: когда родственные связи в тягость

Как решить проблему токсичного отношения со стороны родных людей?

Psychologies
Бесконечная игра Бесконечная игра

В бизнесе побеждает тот, кто не участвует в гонке

kiozk originals
Как заработать много денег: основные нюансы и 8 работающих стратегий Как заработать много денег: основные нюансы и 8 работающих стратегий

Коллекция стратегий по заработку денег, способных принести хороший доход

Playboy
«Не замужем» не значит одна, «одинока» не значит несчастна «Не замужем» не значит одна, «одинока» не значит несчастна

У моих знакомых проблема: я не замужем

Cosmopolitan
10 самых крутых археологических находок Севера 10 самых крутых археологических находок Севера

Мечи викингов, загадочные следы, лабиринт и корабль — что скрывает Север?

Популярная механика
Кто бы мог подумать, что Porsche 718 Cayman S – отличная машина на каждый день Кто бы мог подумать, что Porsche 718 Cayman S – отличная машина на каждый день

Porsche 718 Cayman S — экономичное спортивное купе

GQ
4 невероятных шоссе, заставляющих протереть глаза 4 невероятных шоссе, заставляющих протереть глаза

Эти дороги без всякого желтого кирпича заставляют думать о чудесах

Maxim
Как изменилась доступность общественного транспорта Как изменилась доступность общественного транспорта

Как за последние годы изменилась доступность общественного транспорта

СНОБ
Российские политики, которых номинировали на Нобелевскую премию мира Российские политики, которых номинировали на Нобелевскую премию мира

Кто из отечественных политиков был номинирован на Нобелевскую премию мира

РБК
Боровиха и журавлиха Боровиха и журавлиха

Брусника — один из растительных символов осени

Наука и жизнь
Крым, БАМ и ЦКАД: на какие проекты правительство не жалеет денег в период пандемии Крым, БАМ и ЦКАД: на какие проекты правительство не жалеет денег в период пандемии

Во время кризиса финансирование некоторых проектов сильно выросло

Forbes
Индульгенция на насилие: что стоит за историями Егора Жукова и Алексея Навального Индульгенция на насилие: что стоит за историями Егора Жукова и Алексея Навального

Рынок убийств, отравлений и избиений стал одним из самых динамичных в России

Forbes
«Американская грязь». Отрывок из скандальной книги Джанин Камминс «Американская грязь». Отрывок из скандальной книги Джанин Камминс

Глава из романа Джанин Камминс о беженцах из Мексики

СНОБ
Храм — бассейн — храм: 7 фактов о храме Христа Спасителя, которые не стыдно знать и атеисту Храм — бассейн — храм: 7 фактов о храме Христа Спасителя, которые не стыдно знать и атеисту

Удивительная история храма Христа Спасителя

Maxim
Правила жизни Билла Мюррея Правила жизни Билла Мюррея

Правила жизни актера Билла Мюррея

Esquire
Как легенда стритстайл-фотографии Томми Тон изменил бренд Deveaux Как легенда стритстайл-фотографии Томми Тон изменил бренд Deveaux

Переход от фотографа к дизайнеру – явление редкое

GQ
Сиара, певица и актриса Сиара, певица и актриса

Она — лауреат премии «Грэмми», красивая женщина и трижды мама

Худеем правильно
Как дети иммигрантов из России и Израиля создали в США сервис доставки продуктов стоимостью в $3 млрд Как дети иммигрантов из России и Израиля создали в США сервис доставки продуктов стоимостью в $3 млрд

Получится ли у сервиса доставки еды GoPuff выйти за пределы американского рынка?

Forbes
Самку китовой акулы признали самой большой рыбой Самку китовой акулы признали самой большой рыбой

В среднем, длина тела самки китовой акулы может достигать 14,5 метра

N+1
Сбил зеркало плечом и не заметил. Нелепая причина для лишения прав Сбил зеркало плечом и не заметил. Нелепая причина для лишения прав

Мотоциклист сбил плечом зеркало у «Газели» и на год лишился прав

РБК
«Энола Холмс» – методичка по феминизму для самых маленьких «Энола Холмс» – методичка по феминизму для самых маленьких

«Энола Холмс»: история строптивой сыщицы

GQ
5 легендарных мечей, которые до сих пор целы 5 легендарных мечей, которые до сих пор целы

Эти легендарные мечи можно увидеть собственными глазами!

Maxim
Структура научных революций Структура научных революций

Новаторский анализ научного развития

kiozk originals
Не ПП, а ППП! 5 «толстых» привычек и 4 «стройных» лайфхака, чтобы их преодолеть Не ПП, а ППП! 5 «толстых» привычек и 4 «стройных» лайфхака, чтобы их преодолеть

Избавляемся от «лишних» пищевых привычек и лишнего веса

Cosmopolitan
Как подтянуть ягодицы и удлинить ноги с помощью джинсов — 7 хитрых приёмов Как подтянуть ягодицы и удлинить ноги с помощью джинсов — 7 хитрых приёмов

На что обратить внимание в магазине и какие джинсы выбрать по твоим параметрам

Cosmopolitan
Открыть в приложении