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

Miss MAXIM 2019 Miss MAXIM 2019

Марафон красоты длиной в пять месяцев финишировал!

Maxim
Удобство, выгода и подводные камни: компании рассказывают о работе с самозанятыми Удобство, выгода и подводные камни: компании рассказывают о работе с самозанятыми

Как работать с самозанятыми специалистами и что нужно знать, нанимая их

Inc.
В Россию с любовью: каких проблем ждать после переноса споров с иностранцами в российские суды В Россию с любовью: каких проблем ждать после переноса споров с иностранцами в российские суды

Как перенос споров с иностранцами в российские суды может повлиять на бизнес

Forbes
«Фактически сжигание денег»: почему богатейший человек Европы заморозил сделку по покупке Tiffany на самом деле «Фактически сжигание денег»: почему богатейший человек Европы заморозил сделку по покупке Tiffany на самом деле

Как Tiffany стараются избежать сорвать сделку с Бернаром Арно

Forbes
Слезаем с иглы всеобщего одобрения: 8 советов, как не зависеть от чужого мнения Слезаем с иглы всеобщего одобрения: 8 советов, как не зависеть от чужого мнения

Сейчас быстренько научимся мыслить критически и самостоятельно

Playboy
За урожаем из глубин За урожаем из глубин

На разных верфях страны бум рыбопромыслового судостроения

Популярная механика
Южные стрижи не пустили северных к лучшим местам зимовки Южные стрижи не пустили северных к лучшим местам зимовки

Чем севернее гнездятся стрижи, тем севернее расположены их зимовки в Африке

N+1
Тайна темной энергии: раскрыта ли загадка самого большого резервуара энергии во Вселенной? Тайна темной энергии: раскрыта ли загадка самого большого резервуара энергии во Вселенной?

Раскрыта ли одна из самых волнующих тайн современной космологии?

Forbes
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
Звездные суды и приговоры знаменитостям Звездные суды и приговоры знаменитостям

Кто из российских и советских знаменитостей был осужден

СНОБ
Время действия Время действия

Если ты находишь дело жизни, никакие сложности тебе уже не страшны

Glamour
«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
Земля. Тайная история красок Земля. Тайная история красок

Почему мир вокруг нас раскрашен в такие яркие цвета

kiozk originals
«Это сжигает тебя изнутри»: почему инвесторы Tesla готовы даже сменить работу ради Илона Маска «Это сжигает тебя изнутри»: почему инвесторы Tesla готовы даже сменить работу ради Илона Маска

Инвесторы Tesla убеждены, что инвестируют в «будущее»

Forbes
На драйве На драйве

Гонки и адреналин на съемочной площадке спортивной драмы «Мастер»

OK!
Сестра Джона Кеннеди, которой стеснялась семья президента Сестра Джона Кеннеди, которой стеснялась семья президента

В 23 года Розмари Кеннеди сделали лоботомию

Maxim
«Наши» и «ваши» «Наши» и «ваши»

Как изменил Беларусь месяц протестов

Огонёк
Победитель конкурса GQ Платон Никитин о секонд-хендах, высокой моде и TikTok Победитель конкурса GQ Платон Никитин о секонд-хендах, высокой моде и TikTok

Тикток-блогер Платон Никитин о моде и магазинах, в которые никогда не пойдет

GQ
Восемь правил эффективности Восемь правил эффективности

Умнее, быстрее, лучше: секреты продуктивности в жизни и бизнесе

kiozk originals
Илья Учитель: «Стрельцов не виноват» Илья Учитель: «Стрельцов не виноват»

В отечественный прокат выходит спортивная драма «Стрельцов»

Эксперт
«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
Не думайте о покупателе: как вырастить стартап, который купит Apple Не думайте о покупателе: как вырастить стартап, который купит Apple

Что необходимо учитывать при создании стартапа, чтобы заинтересовать Apple

Forbes
Экипировка для байкера: что надевать и почему Экипировка для байкера: что надевать и почему

Как удержать баланс стиля и безопасности верхом на железном коне

Playboy
«Всем успеха, а нам — победы!» «Всем успеха, а нам — победы!»

Регина Тодоренко и Роман Костомаров — о своем участии в шоу «Ледниковый период»

OK!
Бабилонская вашня. Самые смешные и скандальные ляпы переводчиков Бабилонская вашня. Самые смешные и скандальные ляпы переводчиков

Словари сгорели бы со стыда, если б им кто-то рассказал про эти курьезы

Maxim
Изменение климата загнало древесных американских ласточек в экологическую ловушку Изменение климата загнало древесных американских ласточек в экологическую ловушку

Раннее наступление весны негативно сказывается на численности птиц

N+1
Опять двойка Опять двойка

Как «заставить» ребенка учиться, объясняет психолог Марина Мелия

Tatler
Как детский характер становится взрослым Как детский характер становится взрослым

Из чего складывает темперамент человека по мере взросления?

Популярная механика
Пусть едят пирожные Пусть едят пирожные

О сюрпризах, которые случаются внутри эклеров

Tatler
Влюбленная в фотографию Влюбленная в фотографию

Селебрити-фотограф Ольга Тупоногова-Волкова презентует персональную выставку WET

OK!
Открыть в приложении