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

«Люди на Луне. Главные ответы» «Люди на Луне. Главные ответы»

Был ли достаточно развит технический уровень в 1960-е годы для полета на Луну

N+1
Почему никто не видел птенцов голубей и как они выглядят Почему никто не видел птенцов голубей и как они выглядят

Да, птенцы голубей существуют. и они прекрасны!

Maxim

Самый зрительский, обаятельный и доступный фильм Александра Молочникова

Esquire
Мир, полный демонов Мир, полный демонов

Наука – как свеча во тьме

kiozk originals
В честь кого «Мерседес» назвали «Мерседесом»? В честь кого «Мерседес» назвали «Мерседесом»?

История появления названия автомобильной марки Mercedes

Maxim
Военные и смешные: самая чудная форма армий мира Военные и смешные: самая чудная форма армий мира

Как выглядит военная форма в разных странах мира?

Maxim
Холмс в Пекине Холмс в Пекине

Человека, который первым сформировал общие представления американцев о Китае

Огонёк
Чистая работа Чистая работа

Чем опасны новообразования на коже и как от них избавиться?

Лиза
Зачем нам замуж? Алина Фаркаш считает, что брак женщине не так уж и нужен Зачем нам замуж? Алина Фаркаш считает, что брак женщине не так уж и нужен

Зачем выходить замуж в России – мне сложно понять

Cosmopolitan
«Кислотные» стикеры сделали самолеты невидимыми для нейросетей «Кислотные» стикеры сделали самолеты невидимыми для нейросетей

Причина в фундаментальном недостатке нейросетей

N+1
10 пришлых видов, которые приносят пользу экосистеме 10 пришлых видов, которые приносят пользу экосистеме

Иногда инвазивные организмы приносят пользу на новом месте

Популярная механика
Прыжок в карьеру Прыжок в карьеру

Cергей Гилев о том, каково это – в 40 лет проснуться востребованным актером

Esquire
Море спокойствия Море спокойствия

Эмбер Валлетта: путь чувств может привести к грусти, а мысли требуют действия

Vogue

Как изменилась жизнь известных ведущих новостей?

Cosmopolitan
9 малоизвестных фактов о средневековых замках 9 малоизвестных фактов о средневековых замках

9 фактов, которые избавят вас от иллюзий на счет жизни в средневековых замках

Популярная механика
Новый инструмент для проверки материалов на стойкость к радиации Новый инструмент для проверки материалов на стойкость к радиации

Ученые имитируют облучение материалов пучками ускоренных атомов

Популярная механика
Принципы, правила и риски, на которые идёт Netflix, чтобы быть первым: опыт сооснователя сервиса Рида Хастингса Принципы, правила и риски, на которые идёт Netflix, чтобы быть первым: опыт сооснователя сервиса Рида Хастингса

Главное из разговора руководителя Netflix с Forbes и Bloomberg

VC.RU
Курс на Луну Курс на Луну

Космическая гонка и необычное путешествие «Аполлона-11»

kiozk originals
Худой мир Худой мир

Почему от диеты худеют только наши карманы

GQ
Что смотреть: пять фильмов о современном искусстве Что смотреть: пять фильмов о современном искусстве

Современное искусство — увлекательно, эксцентрично и полное новых идей

Seasons of life
Вакцинация: как работают прививки и почему их надо делать Вакцинация: как работают прививки и почему их надо делать

Прививки — большое зло или наше спасение?

Популярная механика
Секс после 50: возвращаемся к своим желаниям Секс после 50: возвращаемся к своим желаниям

Почему в зрелом возрасте люди испытывают страсть реже и что с этим делать

Psychologies
Селфи Селфи

Почему мы зациклены на себе и как это на нас влияет

kiozk originals
6 случаев, когда людям пришлось умереть, чтобы добиться своего 6 случаев, когда людям пришлось умереть, чтобы добиться своего

Целеустремленность, которая зашла слишком далеко!

Maxim
32 вопроса, которые стоит задать бабушке с дедушкой 32 вопроса, которые стоит задать бабушке с дедушкой

Насколько хорошо вы на самом деле знаете своих дедушек и бабушек?

Psychologies
Каменный гвоздь Каменный гвоздь

Стремительное развитие городской среды чрезвычайно обогатило наш язык

Maxim
Приручить энергию звезд Приручить энергию звезд

Каким ученые видят решение грядущего энергетического дефицита

N+1
Моторизированный рюкзак облегчил ходьбу с грузом Моторизированный рюкзак облегчил ходьбу с грузом

Ходить с таким рюкзаком на 11 процентов легче, чем с обычным

N+1
Армия 2020 Армия 2020

Ежегодная выставка «Армия» в парке «Патриот»

Популярная механика
Смотрим на ключицы! Звезды, подчеркивающие декольте безумно дорогими украшениями Смотрим на ключицы! Звезды, подчеркивающие декольте безумно дорогими украшениями

Подчеркнуть ключицы можно разными способами, но звезды выбирают самый дорогой

Cosmopolitan
Открыть в приложении