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

Так думают женщины о... Так думают женщины о...

Очередная попытка выяснить, чего хочет женщиина

Playboy
Волшебник страны лоз Волшебник страны лоз

Сергей Галицкий пытается превратить Кубань в Бордо

Tatler
Открыт новый тип организации нуклеиновых кислот в нашем теле Открыт новый тип организации нуклеиновых кислот в нашем теле

Исследователи изучают новый тип пространственной организации нуклеиновых кислот

Популярная механика
Американская мечта Американская мечта

Сказочный остров или США? Неинкорпорированная территория Америки

Вокруг света
Как правильно гладить брюки со стрелками: пошаговая инструкция Как правильно гладить брюки со стрелками: пошаговая инструкция

Руководство по созданию стрелок утюгом и парогенератором на мужских брюках

Playboy
«Люди не знают, что такое инвалидность»: Сэмми Джабраиль о жизни с протезом и детстве в Дагестане «Люди не знают, что такое инвалидность»: Сэмми Джабраиль о жизни с протезом и детстве в Дагестане

Как в России относятся к людям с инвалидностью?

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

Самая удивительная форма, которую когда-либо принимала национальная мечта

Maxim
Двадцать лет в аду. История трех сестер, сумевших выжить в доме матери-убийцы Двадцать лет в аду. История трех сестер, сумевших выжить в доме матери-убийцы

Сестры Кнотек жили в страхе почти 20 лет

Forbes
Гормоны стресса — виновники лишнего веса! Как «приручить» кортизол и адреналин? Гормоны стресса — виновники лишнего веса! Как «приручить» кортизол и адреналин?

Как работают гормоны стресса и как сохранить здоровье и красоту?

Cosmopolitan
Ножи для сыра: как правильно выбрать Ножи для сыра: как правильно выбрать

Рассказываем, какими ножами и как резать сыр, чтобы его вкус раскрывался

Популярная механика
Все четыре стороны Все четыре стороны

Героини осенних кинопремьер о сексе, моде, детях

Vogue
В стране вечного солнца В стране вечного солнца

Познакомьтесь с красотами Австралии

kiozk originals
6 вопросов о финансах, которые вам следует обсудить с партнером 6 вопросов о финансах, которые вам следует обсудить с партнером

Во время пандемии как никогда важно говорить о деньгах

GQ
Танец-вспышка Танец-вспышка

Справиться с раком груди Наталье Синдеевой помогло аргентинское танго

Tatler
8 самых удивительных (и красивых) авторазвязок мира 8 самых удивительных (и красивых) авторазвязок мира

Красота в глазах проезжающего

Maxim
All Inclusive со скидкой 30%: как россияне отдыхают в этом году в Турции All Inclusive со скидкой 30%: как россияне отдыхают в этом году в Турции

Турпоток в Турцию в августе-начале сентября не достиг прошлогодних уровней

Forbes
Шаровой смеситель: главное водопроводное изобретение Шаровой смеситель: главное водопроводное изобретение

Алекс Манукян подарил миру водопроводный кран, который открывается одной рукой

Популярная механика
Невероятно трогательное письмо отца своей маленькой дочери Невероятно трогательное письмо отца своей маленькой дочери

Самое трогательное письмо, которое отец писал когда-либо дочери

Cosmopolitan
Как участнику рейтинга Forbes и его коллегам удалось впервые «поймать» неуловимую черную дыру Как участнику рейтинга Forbes и его коллегам удалось впервые «поймать» неуловимую черную дыру

Ученые подтвердили существование неуловимого прежде вида черных дыр

Forbes
Никита Ефремов: «Стараюсь не зацикливаться на себе» Никита Ефремов: «Стараюсь не зацикливаться на себе»

Никита Ефремов о грузе знаменитой фамилии и о собственной обидчивости

Cosmopolitan
Как решить любую проблему:6 психологических лайфхаков Как решить любую проблему:6 психологических лайфхаков

О том, как решить свою проблему, не поедая мамонта

Cosmopolitan
Кому нужно тело Ленина на Красной площади Кому нужно тело Ленина на Красной площади

Почему мумия вождя мирового пролетариата осталась на главной столичной площади?

СНОБ
Китайский космоплан (или нет) вернулся на Землю через два дня после запуска Китайский космоплан (или нет) вернулся на Землю через два дня после запуска

Китайский многоразовый космический корабль совершил успешную посадку

N+1
Как русские семь лет подслушивали американцев в посольстве США с помощью «подарка» Как русские семь лет подслушивали американцев в посольстве США с помощью «подарка»

Эндовибратор — устройства для прослушки, не требующего источника питания

Maxim
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
Маски и страхи: на Венецианском фестивале показали «Конференцию» — мощное кино о «Норд-Осте» от Ивана И. Твердовского Маски и страхи: на Венецианском фестивале показали «Конференцию» — мощное кино о «Норд-Осте» от Ивана И. Твердовского

Один из мощнейших фильмов — российская «Конференция» Ивана И. Твердовского

Forbes
10 необычных Mercedes-Benz 10 необычных Mercedes-Benz

Исключительно необычные автомобили компании Mercedes-Benz

Популярная механика
8 ошибок в фильмах, специально оставленных режиссерами 8 ошибок в фильмах, специально оставленных режиссерами

Мелкие оплошности, которые оставили в фильмах, чтобы порадовать фанатов

Maxim
Антихрупкость Антихрупкость

Как извлечь выгоду из хаоса

kiozk originals
Принципы Принципы

Жизнь и работа

kiozk originals
Открыть в приложении