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

Лики Вики Лики Вики

До съемки в нашем презренном журнале снизошла богиня «Инстаграма» Вики Одинцова

Maxim
Влюбленная в фотографию Влюбленная в фотографию

Селебрити-фотограф Ольга Тупоногова-Волкова презентует персональную выставку WET

OK!
Уравнение с переменными. Три мнения о Land Rover Discovery Sport Уравнение с переменными. Три мнения о Land Rover Discovery Sport

Редакторы Autonews — об обновленном Land Rover Discovery Sport

РБК
Для тех, кто не любит погорячее: что делать при тепловом ударе Для тех, кто не любит погорячее: что делать при тепловом ударе

Иногда «мозги кипят» – это не просто фигуральное выражение

Cosmopolitan
10 невероятных изобретений древних греков 10 невероятных изобретений древних греков

Что первым приходит на ум, когда речь заходит о древней Греции?

Популярная механика
«21 урок для XXI века» «21 урок для XXI века»

Как человеку и человечеству выжить в современном мире тревоги?

kiozk originals
Дом веселых и находчивых Дом веселых и находчивых

Модернистский дом 1960‑х годов в идеальном состоянии

AD
Истории альпинистов и путешественников о горах, испытаниях и эйфории Истории альпинистов и путешественников о горах, испытаниях и эйфории

Истории о первых восхождениях и о том, почему стоит ходить в горы

СНОБ
Миры миров Миры миров

Как стать президентом в мультивселенной

Популярная механика
Жизнь 3.0 Жизнь 3.0

Быть человеком в эпоху искусственного интеллекта

kiozk originals
«Это экзит, а не инвестиции»: зачем основатели продали «Кухню на районе» и что получат «Сбербанк» и Mail.ru Group «Это экзит, а не инвестиции»: зачем основатели продали «Кухню на районе» и что получат «Сбербанк» и Mail.ru Group

Краткая история сервиса «Кухню на районе» и мнения участников рынка

VC.RU
Насилие и наркотики: за что сели в тюрьму Стрельцов, Дауни, Тайсон и другие Насилие и наркотики: за что сели в тюрьму Стрельцов, Дауни, Тайсон и другие

Известные люди, которые попадали в тюрьму

Cosmopolitan
Истории вуду Истории вуду

Роль теории заговора в современной истории

kiozk originals
В ожидании «косяков» власти: можно ли говорить об успехе «Умного голосования» Навального? В ожидании «косяков» власти: можно ли говорить об успехе «Умного голосования» Навального?

Единый день голосования стал успехом для власти

Forbes
Покинутый советский остров-полигон, на котором захоронено биологическое оружие Покинутый советский остров-полигон, на котором захоронено биологическое оружие

В советское время на острове Возрождения располагался полигон «Бархан»

Maxim
Необитаемая Земля Необитаемая Земля

Жизнь после глобального потепления

kiozk originals
10 самых скандальных акций Гринпис 10 самых скандальных акций Гринпис

Активисты «Гринпис» известны творческим подходом к протестным флэш-мобам

РБК

Как изменилась жизнь известных ведущих новостей?

Cosmopolitan
Лучший костюм на Хэллоуин — страшно красивые идеи от звезд и блогеров Лучший костюм на Хэллоуин — страшно красивые идеи от звезд и блогеров

Отыскать эффектный костюм на Хэллоуин — целое приключение

Cosmopolitan
Как приготовить идеальное мясо на открытом огне. Инструкция Как приготовить идеальное мясо на открытом огне. Инструкция

Что делать, чтобы приготовленные на огне блюда получились выше всех похвал

РБК
Не на тех напали: звезды, которых Не на тех напали: звезды, которых

Джонни Депп, Шер, Бритни Спирс и другие знаменитости, ставшие жертвами слухов

Cosmopolitan
Выскочки Выскочки

Как Uber, Airbnb и компании-убийцы из новой Кремниевой долины меняют мир

kiozk originals
10 самых нелепых теорий заговоров: мир под властью рептилоидов 10 самых нелепых теорий заговоров: мир под властью рептилоидов

Подборка самых нелепых и уморительных теорий конспирологов по всему миру

Популярная механика
Как не выглядеть «теткой» в офисе: 10 модных правил для делового гардероба Как не выглядеть «теткой» в офисе: 10 модных правил для делового гардероба

Сохраняем баланс между актуальными трендами и строгим дресс-кодом

Cosmopolitan
Пять самых популярных игровых мифов Пять самых популярных игровых мифов

Пять самых популярных игровых мифов, в которые верили геймеры разных поколений

Популярная механика
Как быстро повзрослеть и стать ответственным: правила борьбы с инфантилизмом Как быстро повзрослеть и стать ответственным: правила борьбы с инфантилизмом

Инфантилизм может представлять серьезную проблему, которую можно и нужно решать

Playboy
«Никогда не начинайте своего дела с эгоистичных мыслей». История первой японской женщины-миллиардера «Никогда не начинайте своего дела с эгоистичных мыслей». История первой японской женщины-миллиардера

Как Синохара Йошико стала одной из богатейших женщин в Японии

Forbes
Сотни съемок и обложка с икрой: что Моника Беллуччи сделала для моды Сотни съемок и обложка с икрой: что Моника Беллуччи сделала для моды

Главные модные достижения одной из самых красивых актрис в истории

Esquire
Вес попутал Вес попутал

Удержание хорошей формы после пятидесяти похоже на компьютерную игру

Tatler
Религия для диктатора. В чем состоит кредо Лукашенко Религия для диктатора. В чем состоит кредо Лукашенко

Символ веры, общий для несменяемых властителей на постсоветском пространстве

СНОБ
Открыть в приложении