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

От чего умер Ленин? От чего умер Ленин?

На момент смерти Ленину было всего 53 года. На здоровье он никогда не жаловался

Дилетант
10 терминов, неуместное использование которых расстраивает ученых 10 терминов, неуместное использование которых расстраивает ученых

Научные термины, которые мы не всегда уместно используем

Популярная механика
Пострадавшая от режима Саддама земляная крыса вернулась в иракские болота Пострадавшая от режима Саддама земляная крыса вернулась в иракские болота

Иракскую земляную крысу не видели живой с 1977 года

N+1
Храбрый поступок Храбрый поступок

Дизайнер Сергей Храбровский после долгого перерыва взял в руки кисть

AD
Экранное время Экранное время

Десять образовательных онлайн-курсов

Vogue
Как понять свои сексуальные желания: советы экспертов Как понять свои сексуальные желания: советы экспертов

Иногда мы сами не до конца понимаем, что нас действительно возбуждает

Psychologies
Суперкомпьютеры для обучения нейросетей заменили сетью распределенных вычислений Суперкомпьютеры для обучения нейросетей заменили сетью распределенных вычислений

Программисты разработали платформу для обучения больших нейросетей

N+1
Секреты домашнего мастера: лайфхаки на каждый день Секреты домашнего мастера: лайфхаки на каждый день

Домашний ремонт: нехитрые решения хитрых задач

Популярная механика
«Кислотные» стикеры сделали самолеты невидимыми для нейросетей «Кислотные» стикеры сделали самолеты невидимыми для нейросетей

Причина в фундаментальном недостатке нейросетей

N+1
Dior Dior

Коллекции Марии Грации Кьюри и Кима Джонса для Dior

Weekend
Красоты мира. Тест-драйв Volkswagen Arteon и Kia Stinger Красоты мира. Тест-драйв Volkswagen Arteon и Kia Stinger

У особых машин свой рынок, в котором не работают привычные правила конкуренции

РБК
Секс, наркотики, Сибирь: Абель Феррара о жизни и кино Секс, наркотики, Сибирь: Абель Феррара о жизни и кино

Режиссер Абель Феррара о разуме, чувствах и страстях

СНОБ
Правая рука императора Правая рука императора

Ключевые военные победы Августу принёс его сподвижник Марк Випсаний Агриппа

Дилетант
Будущее медицины Будущее медицины

Ваше здоровье в ваших руках

kiozk originals
10 необычных Opel 10 необычных Opel

Интереснейшие концепт-кары и прототипы Opel

Популярная механика
В одной черной-черной стране В одной черной-черной стране

Каждый год в результате аварий в России разливаются сотни тысяч тонн сырой нефти

GQ
Толкование сновидений Толкование сновидений

Главная работа отца психоанализа

kiozk originals
10 оттенков страха Владимира Машкова и его команды 10 оттенков страха Владимира Машкова и его команды

Паника, тревога, неопределенность — фон сегодняшней жизни

Psychologies
Высокогорный колибри остыл до 3,26 градуса Цельсия Высокогорный колибри остыл до 3,26 градуса Цельсия

Рекордно низкую температуру тела зафиксировали у высокогорного колибри

N+1
Костюм как вторая кожа Костюм как вторая кожа

Почему женщины должны заимствовать этот мужской секрет

Robb Report
«Быть реалистом — трудная задача» «Быть реалистом — трудная задача»

Писатель Алексей Иванов собрал в книгу разговоры с читателями

Огонёк
Без обгоревшего носа: 5 процедур, которые сделают тебя богиней пляжа Без обгоревшего носа: 5 процедур, которые сделают тебя богиней пляжа

Сделай перед отпуском несколько процедур – и оставайся королевой 2 недели!

Cosmopolitan
Что читать на выходных: отрывок из романа-взросления «Тысяча лун» Себастьяна Барри Что читать на выходных: отрывок из романа-взросления «Тысяча лун» Себастьяна Барри

Отрывок из романа Себастьяна Барри об извилистой истории индейской девочки

Esquire
Тарантино, Ди Каприо, Уилл Смит и Клинт Иствуд вспоминают школу Тарантино, Ди Каприо, Уилл Смит и Клинт Иствуд вспоминают школу

Герои обложек Esquire делятся школьными воспоминаниями

Esquire
Нарциссы и созависимые: две стороны одной медали? Нарциссы и созависимые: две стороны одной медали?

Нарцисс и созависимый — крепкая пара

Psychologies
Я вижу, о чем вы думаете Я вижу, о чем вы думаете

Как агенты ФБР читают людей

kiozk originals
Взрывная мерзлота Взрывная мерзлота

Откуда в ямальской тундре берутся воронки газовых выбросов

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
Всадники Апокалипсиса: как распознать четыре главных страха и научиться с ними справляться Всадники Апокалипсиса: как распознать четыре главных страха и научиться с ними справляться

Страхи не только разрушают, отнимают и парализуют

Forbes
Нос «уедет» и пропадет дыхание — 7 мифов о ринопластике Нос «уедет» и пропадет дыхание — 7 мифов о ринопластике

Хирург объясняет, стоит ли бояться ринопластики и как проходит эта операция

Cosmopolitan
Открыть в приложении