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

В Чагырской пещере сделаны новые находки. В их числе – зубы неандертальцев В Чагырской пещере сделаны новые находки. В их числе – зубы неандертальцев

Российские ученые продолжают раскопки в Чагырской пещере на юге Алтая

National Geographic
«Один... несколько... много!»: как народ пирахан разговаривает на языке без числительных «Один... несколько... много!»: как народ пирахан разговаривает на языке без числительных

В ходе эволюции все языки начинают использовать числа, но не язык пираа

National Geographic
Криовулканизм: геологические образования, извергающие воду и газ Криовулканизм: геологические образования, извергающие воду и газ

Некоторые вулканы извергают вовсе не лаву

National Geographic
Почему стартапам выгодно запускаться в 2020 году Почему стартапам выгодно запускаться в 2020 году

Запуск в период кризиса — лучшая школа выживания для стартапа

СНОБ
Призрак бывшей: как жить, если ты – вторая жена Призрак бывшей: как жить, если ты – вторая жена

Если ты – вторая жена, то в браке постоянно будет присутствовать его бывшая

Cosmopolitan
Интроверты​​​​ Интроверты​​​​

Как использовать особенности своего характера

kiozk originals
Эти три шага помогут вам избавиться от вредных привычек, утверждает социальный психолог Эти три шага помогут вам избавиться от вредных привычек, утверждает социальный психолог

Три шага, которые помогут сформировать полезные привычки и приблизиться к цели

Inc.
Стрекательное растение в Австралии может вызвать боль, длящуюся неделями Стрекательное растение в Австралии может вызвать боль, длящуюся неделями

Гимпи-гимпи — одно из самых ядовитых растений на планете

National Geographic
Почему мы все заняты бесполезной работой Почему мы все заняты бесполезной работой

Технический прогресс сильнее привязал людей к бессмысленной работе

Esquire
Иван Сорокин: Смена правил игры, или Почему высшее образование не гарантирует успех Иван Сорокин: Смена правил игры, или Почему высшее образование не гарантирует успех

Как изменились представления об успехе и почему стремиться нужно к счастью

СНОБ
Как представляли Москву будущего в 1914 году Как представляли Москву будущего в 1914 году

Москва будущего: скоростные сани, монорельс и почему-то старомодная одежда

Maxim
Его прекрасная леди Его прекрасная леди

О любви первого президента СССР выходит спектакль. Что известно

Vogue
Считавшуюся вымершей бразильскую лягушку переоткрыли с помощью экзогенной ДНК Считавшуюся вымершей бразильскую лягушку переоткрыли с помощью экзогенной ДНК

Лягушку Megaelosia bocainensis не встречали с 1968 года

N+1
5 реальных мегамашин, которые выглядят так, будто их создали дети 5 реальных мегамашин, которые выглядят так, будто их создали дети

Крутые и серьезные мегамашины с дизайном, который легко придумали бы дети

Популярная механика
Не мешайте себе жить: 7 типичных моделей саморазрушительного поведения Не мешайте себе жить: 7 типичных моделей саморазрушительного поведения

Как перестать мешать самому обрести любовь или достичь успеха?

Forbes
Любимые рецепты Лали Чочия: фаршированные перцы Любимые рецепты Лали Чочия: фаршированные перцы

Ностальгируем по Одессе и делимся рецептом фаршированных перцев

Seasons of life
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
Элементы для сердца Элементы для сердца

Работа нашего сердца во многом зависит всего от нескольких макроэлементов

Здоровье
Великая сила вещей: учимся уюту у героев литературных произведений Великая сила вещей: учимся уюту у героев литературных произведений

Как сделать так, чтобы дом стал местом силы и положительных эмоций?

Seasons of life
Эффективный руководитель Эффективный руководитель

Книга, которая поможет повысить продуктивность работы

kiozk originals
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
12 самых странных и редких существ, живущих под водой 12 самых странных и редких существ, живущих под водой

Дюжина самых странных и редких морских обитателей

Популярная механика
Фильму «Скажи ей» удается быть эмоциональным, но картина слишком манипулирует зрителем Фильму «Скажи ей» удается быть эмоциональным, но картина слишком манипулирует зрителем

Автобиографическая (мело)драма Александра Молочникова «Скажи ей».

GQ
Toyota RAV4: за что не надо переплачивать Toyota RAV4: за что не надо переплачивать

2 литра как золотой стандарт

Maxim
Илья Учитель: «Стрельцов не виноват» Илья Учитель: «Стрельцов не виноват»

В отечественный прокат выходит спортивная драма «Стрельцов»

Эксперт
Чертоги чужого разума. Почему все обсуждают новый фильм Чарли Кауфмана «Думаю, как все закончить» Чертоги чужого разума. Почему все обсуждают новый фильм Чарли Кауфмана «Думаю, как все закончить»

«Думаю, как все закончить» — фильм о сумерках рассудка от Чарли Кауфмана

Forbes
Американская история зла: как Райан Мерфи снял историю медсестры из «Пролетая над гнездом кукушки» Американская история зла: как Райан Мерфи снял историю медсестры из «Пролетая над гнездом кукушки»

Как Райану Мерфи удается раз за разом очаровывать зрителя своим барочным стилем

Forbes
Почему нам нравится смотреть на выдуманные апокалипсисы, когда миру угрожает реальный Почему нам нравится смотреть на выдуманные апокалипсисы, когда миру угрожает реальный

Отрывок из книги Дэвида Уоллеса-Уэллса «Необитаемая Земля»

Forbes
Почему японцы так любят гигантских роботов Почему японцы так любят гигантских роботов

Самая удивительная форма, которую когда-либо принимала национальная мечта

Maxim
Дисбаланс активности мозга при аутизме связали с половыми различиями Дисбаланс активности мозга при аутизме связали с половыми различиями

Аутичные женщины способны лучше компенсировать коммуникативные трудности

N+1
Открыть в приложении