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

Карина-вирус! Карина-вирус!

В это тревожное время героиней обложки стала главная медсестра страны

Maxim
Курортный роман: как к нему относиться и правильно завершить Курортный роман: как к нему относиться и правильно завершить

Как провести незабываемый курортный роман и закончить его без вреда для психики

Psychologies
Гайд для тех, кто хочет научиться играть на гитаре: ответы на 9 частых вопросов новичков Гайд для тех, кто хочет научиться играть на гитаре: ответы на 9 частых вопросов новичков

Сборник ответов на самые популярные вопросы, возникающие у начинающих гитаристов

Playboy
Незвездные болезни: гепатит, диабет, псориаз, астма - с чем борются знаменитости Незвездные болезни: гепатит, диабет, псориаз, астма - с чем борются знаменитости

Многие звезды не боятся открыто говорить о проблемах со здоровьем

Cosmopolitan
Двойная спираль Двойная спираль

Открытие структуры ДНК

kiozk originals
Как использовать тинт для губ и щек Как использовать тинт для губ и щек

Тинт — must have для каждой девушки

Cosmopolitan
Ринас Ахмадеев, чемпион России в полумарафоне, отвечает на самые глупые вопросы о беге Ринас Ахмадеев, чемпион России в полумарафоне, отвечает на самые глупые вопросы о беге

А похудеть с помощью бега можно? Будут болеть колени? Как не умереть со скуки?

GQ
Контрацепция: что, когда и как рассказывать подросткам Контрацепция: что, когда и как рассказывать подросткам

Стоит ли нам говорить с подростками о контрацепции?

Psychologies
Эксперимент ЦРУ помог исследователям раскрыть секрет успешных команд Эксперимент ЦРУ помог исследователям раскрыть секрет успешных команд

Почему одни команды справляются с задачами лучше других?

Inc.
Возврат к корням: есть ли славянофилы в современном российском дизайне Возврат к корням: есть ли славянофилы в современном российском дизайне

Как дизайнеры и архитекторы стильно возвращаются к корням

Forbes
Все лгут Все лгут

Поисковики, Big Data и Интернет знают о вас все

kiozk originals
«Гнездо» – настоящий фильм ужасов о том, как амбиции и ложь разрушают семью «Гнездо» – настоящий фильм ужасов о том, как амбиции и ложь разрушают семью

Чтобы заставить зрителя испугаться и переосмыслить ценности, не нужны привидения

GQ
Кайли Миноуг, Синтия Никсон и другие знаменитые женщины, победившие рак Кайли Миноуг, Синтия Никсон и другие знаменитые женщины, победившие рак

Примеры знаменитых женщин, которым удалось справиться с раком

Cosmopolitan
Боровиха и журавлиха Боровиха и журавлиха

Брусника — один из растительных символов осени

Наука и жизнь
Как работает Google Как работает Google

Как Google понимает, что именно нужно пользователю

kiozk originals
Стала актрисой из-за измены любимого и еще 9 фактов о жизни Зои Бербер Стала актрисой из-за измены любимого и еще 9 фактов о жизни Зои Бербер

После выхода на экраны «Реальных пацанов» всем стало понятно — звезда родилась

Cosmopolitan
В чем твоя сила, сестра? Самые главные качества знаков зодиака В чем твоя сила, сестра? Самые главные качества знаков зодиака

Узнай сильные стороны именно своего знака зодиака

Cosmopolitan
Потребность острова Потребность острова

«Остров Утопия» Куба в документальном фильме «Эпицентр» Хуберта Саупера

Weekend
250 американских собак получили бронежилеты благодаря ребенку 250 американских собак получили бронежилеты благодаря ребенку

Иногда любовь к животным и детская находчивость способны на многое

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
Самоорганизация неупорядоченных цепочек внутри стекла сделала его твердым Самоорганизация неупорядоченных цепочек внутри стекла сделала его твердым

Физики показали, как и почему стекло становится твердым при охлаждении

N+1
Рациональный ритуал Рациональный ритуал

Культура, координация и коллективное знание

kiozk originals
У птиц обнаружили сознание и схожую с млекопитающими архитектуру мозга У птиц обнаружили сознание и схожую с млекопитающими архитектуру мозга

Архитектура паллиума образована поперечными и продольными волокнами

N+1
9 малоизвестных фактов о средневековых замках 9 малоизвестных фактов о средневековых замках

9 фактов, которые избавят вас от иллюзий на счет жизни в средневековых замках

Популярная механика
Правила жизни Джереми Айронса Правила жизни Джереми Айронса

Правила жизни ирландского актера Джереми Айронса

Esquire
Приговор старым компьютерам: исходный код Windows XP “слит” Приговор старым компьютерам: исходный код Windows XP “слит”

В Сети обнаружили объемный архив с исходными кодами Windows XP и Server 2003

Популярная механика
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
5 мест, которые страны запрещают показывать на картах Гугла 5 мест, которые страны запрещают показывать на картах Гугла

В некоторые места не возбраняется съездить, но вот смотреть на картах нельзя

Maxim
Nudge. Архитектура выбора Nudge. Архитектура выбора

Как улучшить наши решения о здоровье, благосостоянии и счастье

kiozk originals
«Если бы речь шла только об отрицании, пароход современности далеко бы не уплыл» «Если бы речь шла только об отрицании, пароход современности далеко бы не уплыл»

Андрей Хржановский о Шостаковиче, Мейерхольде, Гоголе, «Дау» и других не таких

Weekend
Открыть в приложении