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

Музыка дает нам смелость и надежду Музыка дает нам смелость и надежду

Карлос Сантана — приверженец учения гуру, Бог гитары, Woodstock-легенда

Playboy
Красота по‑американски Красота по‑американски

Полина Пидцан экспериментирует с американским стилем

AD
Живая лаборатория Европы. Как устроен город, у которого есть план до 2070 года Живая лаборатория Европы. Как устроен город, у которого есть план до 2070 года

Как Копенгагену удается строить идеальную экосистему

Forbes
История одной песни: «Арабески» — «Midnight Dancer», 1980 История одной песни: «Арабески» — «Midnight Dancer», 1980

Расскажем про песню «Midnight Dancer» и про «Штаны Монтана»

Maxim
Структура научных революций Структура научных революций

Новаторский анализ научного развития

kiozk originals
Как формируется детское мировоззрение Как формируется детское мировоззрение

Вопрос «кто виноват?» — основной толчок для формирования мировоззрения удетей

СНОБ
С нами мох С нами мох

Почему мода на шипровые ароматы не проходит уже сто лет

Glamour
Великое вырождение Великое вырождение

Как разрушаются институты и гибнут государства

kiozk originals
В кадре и за кадром В кадре и за кадром

Женщины в кинопроизводстве уже давно не исключение

OK!
Сохраняйте спокойствие Сохраняйте спокойствие

Спокойствие — мощный способ достижения успеха в жизни

kiozk originals
Обожает бургеры и ненавидит себя без бороды: неожиданные факты о Джейми Дорнане Обожает бургеры и ненавидит себя без бороды: неожиданные факты о Джейми Дорнане

Джейми Дорнан — успешная модель в прошлом и популярный актер в будущем

Cosmopolitan
11 лайфхаков для заботливого автовладельца 11 лайфхаков для заботливого автовладельца

Пусть машина и впрямь служит долго

Maxim
Оксана Карас: «Когда смотришь фильм, последнее, о чем стоит думать, — что его сняла женщина» Оксана Карас: «Когда смотришь фильм, последнее, о чем стоит думать, — что его сняла женщина»

Оксана Карас сняла фильм «Доктор Лиза» о благотворительнице Елизавете Глинке

Glamour
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
Двойная спираль Двойная спираль

Открытие структуры ДНК

kiozk originals
Антигруппировку фотонов связали с некогерентным излучением Антигруппировку фотонов связали с некогерентным излучением

Для этого физики изучали спектры излучения источника одиночных фотонов

N+1
Миры миров Миры миров

Как стать президентом в мультивселенной

Популярная механика
Просвещение сегодня Просвещение сегодня

В защиту разума, науки, гуманизма и прогресса

kiozk originals
Ослабленная связь коры и таламуса нарушила социализацию мышей Ослабленная связь коры и таламуса нарушила социализацию мышей

Из-за социальной изоляции в раннем возрасте у мышей нарушается связь в мозге

N+1
Как есть палочками: самый полный гид Как есть палочками: самый полный гид

Брось вызов гегемонии ножа и вилки на обеденном столе!

Maxim
Наш человек Наш человек

Тео Хатчкрафт из Hurts — о любви к осьминогам и к фильмам с Николасом Кейджем

Glamour
Крах деловых поездок, продаж бумаги и кофе: почему полный переход на удалёнку может стать экономической проблемой Крах деловых поездок, продаж бумаги и кофе: почему полный переход на удалёнку может стать экономической проблемой

Множество неочевидных бизнесов зависит от «белых воротничков»

VC.RU
«По умолчанию человек — это мужчина»: почему из-за дискриминации женщины чаще умирают от инфаркта и гибнут в авариях «По умолчанию человек — это мужчина»: почему из-за дискриминации женщины чаще умирают от инфаркта и гибнут в авариях

Интервью с автором бестселлера «Невидимые женщины» Кэролайн Криадо Перес

Forbes
Искусства ради Искусства ради

Квартира лондонского коллекционера

SALON-Interior
На пиковых перекрёстках Гороховой улицы На пиковых перекрёстках Гороховой улицы

Магическое притяжение Гороховой улицы в Санкт-Петербурге

Наука и жизнь
13 отличных британских комедийных сериалов 13 отличных британских комедийных сериалов

Прелесть британских комедийных сериалов — в том, что они достаточно короткие

Esquire
«Взрослые забывают, что сами были детьми» «Взрослые забывают, что сами были детьми»

Дмитрий Шепелев — о воспитании сына, и о том, от чего хочет его предостеречь

OK!
Мама – супергерой Мама – супергерой

Как быть многодетной мамой и быть красивой, стройной и успешной в профессии

Здоровье
Топлес: самые интересные научные факты о женской груди Топлес: самые интересные научные факты о женской груди

Она сводит с ума, кормит и даже спасает жизнь

Популярная механика
Девелопер из расследования об утечке из финразведки США Павел Фукс объяснил перевод $1 млн в адрес бывшего вице-мера Москвы Девелопер из расследования об утечке из финразведки США Павел Фукс объяснил перевод $1 млн в адрес бывшего вице-мера Москвы

Девелопер Павел Фукс одолжил бывшему вице-мэру Москвы Иосифу Орджоникидзе $1 млн

Forbes
Открыть в приложении