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

На кемадеро в санбенито На кемадеро в санбенито

Инквизиция на долгое время стала чуть ли не символом Испании

Дилетант
«Бесцветный» «Бесцветный»

История комика Тревора Ноя: ужасы, которые пережил «бесцветный» ребенок в ЮАР

kiozk originals
Загадочные знаки посреди пустыни Гоби, найденные в 2011 году Загадочные знаки посреди пустыни Гоби, найденные в 2011 году

Знаки в пустыне Гоби — часть засекреченной космической программы Китая?

Maxim
Искусственный интеллект написал статью о безопасности ИИ Искусственный интеллект написал статью о безопасности ИИ

Может ли искусственный интеллект писать тексты

Популярная механика
Почему Жан-Мишель Баския так много значит для современной моды Почему Жан-Мишель Баския так много значит для современной моды

Почему работы Жана-Мишеля Баскии так притягательны для дизайнеров

GQ
Влияет ли среда обитания на запах и вкус пищи Влияет ли среда обитания на запах и вкус пищи

Почва, климат и микробы могут формировать вкус сельскохозяйственных культур

Популярная механика
Американская диета Американская диета

Нью-йоркская диета поможет быстро похудеть до 6 кг за две недели

Лиза
«Мама, познакомься…»: неподходящие избранники наших детей «Мама, познакомься…»: неподходящие избранники наших детей

Что делать, если ваш знакомит вас с тем, кто ей или ему совершенно не подходит?

Psychologies
Самая быстрая читка и наибольшее число селфи: звезды в Книге рекордов Гиннесса Самая быстрая читка и наибольшее число селфи: звезды в Книге рекордов Гиннесса

Нашим героям удалось установить мировой рекорд, не ставя перед собой такой цели

Cosmopolitan
Построение бизнес-моделей Построение бизнес-моделей

Настольная книга стратега и новатора

kiozk originals
«Кто мы и как сюда попали. Древняя ДНК и новая наука о человеческом прошлом» «Кто мы и как сюда попали. Древняя ДНК и новая наука о человеческом прошлом»

Отрывок из книги генетика Дэвида Райха о том, кто же мы такие и откуда взялись

N+1
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.
6 вопросов, которые надо задать себе перед пластической операцией 6 вопросов, которые надо задать себе перед пластической операцией

Как определить, действительно ли необходимо делать пластику или нет?

Psychologies
Отечественная «карусель» коровам удобнее Отечественная «карусель» коровам удобнее

Агрохолдинг «ЭкоНива» выводит на рынок роторные доильные залы для молочных ферм

Эксперт
Можно ли выдавать права на вождение с 16 лет: мнение психолога Можно ли выдавать права на вождение с 16 лет: мнение психолога

Готовы ли подростки сесть за руль?

Psychologies
10 самых невероятных авиакатастроф в истории 10 самых невероятных авиакатастроф в истории

Мы не будем объяснять, почему именно эти катастрофы феноменальны

Maxim
Море спокойствия Море спокойствия

Эмбер Валлетта: путь чувств может привести к грусти, а мысли требуют действия

Vogue
Неделя в Москве: как увидеть знаковые места столицы. Часть вторая Неделя в Москве: как увидеть знаковые места столицы. Часть вторая

Маршруты для идеального путешествия по Москве. Продолжение

Культура.РФ
Мультивселенные, междисциплинарность и локализация. Что происходит с креативными индустриями в России Мультивселенные, междисциплинарность и локализация. Что происходит с креативными индустриями в России

Как обстоят дела в индустриях видеоигр, искусства и новых медиа

СНОБ
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
«Думаю, как все закончить» — новый фильм культового сценариста Чарли Кауфмана. Даже не пытайтесь его понять «Думаю, как все закончить» — новый фильм культового сценариста Чарли Кауфмана. Даже не пытайтесь его понять

«Быть Джоном Малковичем» — фильм одного из самых сложных современных режиссеров

Esquire
О суммах квадратов и кубов О суммах квадратов и кубов

История начинается с теоремы Пифагора, а заканчивается математическим открытием

Наука и жизнь
8 признаков, что девушка хочет тебя бросить 8 признаков, что девушка хочет тебя бросить

Возможно, пришло время потихоньку вывозить свою коллекцию ласт из ее квартиры

Maxim
Думай как миллионер Думай как миллионер

17 уроков состоятельности для тех, кто готов разбогатеть

kiozk originals
«Там точно будет новый президент»: как участники списка Forbes реагируют на события в Белоруссии «Там точно будет новый президент»: как участники списка Forbes реагируют на события в Белоруссии

Forbes поговорил с предпринимателями, у которых есть бизнес-интересы в Беларуси

Forbes
Тайная жизнь деревьев Тайная жизнь деревьев

Что они чувствуют, как они общаются – открытие сокровенного мира

kiozk originals
Операция «Преемник» по-римски Операция «Преемник» по-римски

Октавиан установил новые правила передачи власти

Дилетант
9 фактов о Византийской империи, которые вы наверняка не знали 9 фактов о Византийской империи, которые вы наверняка не знали

О наследии великой Византии

Популярная механика
Дом отдыха Дом отдыха

Ольга Мальева воссоздала в подмосковном доме атмосферу американского Хэмптонс

AD
Мне бы в небо: 10 фактов о работе стюардессы Мне бы в небо: 10 фактов о работе стюардессы

Наверное, каждая девочка мечтала стать стюардессой

Cosmopolitan
Открыть в приложении