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

Оказывается, моча очень пригодится в космосе Оказывается, моча очень пригодится в космосе

На Луне с помощью мочи можно построить хоть замок

GQ
Счастливы, потому что смеемся Счастливы, потому что смеемся

Грусть, уныние, упадок сил? Это поправимо!

Psychologies
Чек-лист: как продавать большим клиентам Чек-лист: как продавать большим клиентам

Как довести до контракта общение с крупным бизнесом и вовремя остановиться

Inc.
Что делать, если вы потеряли смартфон или у вас его украли? Что делать, если вы потеряли смартфон или у вас его украли?

Как быстро вернуть потерянный или украденный смартфон?

CHIP
«Бредовая работа» Дэвида Гребера «Бредовая работа» Дэвида Гребера

Миллионы людей в современном мире заняты бредом. Не верите?

Weekend
Деньги. Мастер игры Деньги. Мастер игры

7 простых шагов к финансовой свободе

kiozk originals
Самые полезные команды в Майнкрафте: руководство по использованию Самые полезные команды в Майнкрафте: руководство по использованию

Команды, которые являются самыми топовыми и самыми легкими в мире "Майнкрафта"

CHIP
Слишком хорошая погода: что делать при солнечном ударе Слишком хорошая погода: что делать при солнечном ударе

Как не допустить солнечного удара и что делать, если он все же случился?

Cosmopolitan
7 странных явлений, которые происходят из-за Луны на Земле 7 странных явлений, которые происходят из-за Луны на Земле

Этот спутник не щадит ни львов, ни людей, ни лемуров!

Maxim
Почему ты не можешь похудеть: тайные выгоды лишнего веса Почему ты не можешь похудеть: тайные выгоды лишнего веса

Если ты мечтаешь похудеть, но никак не можешь?

Cosmopolitan
Уна Харт: Дикая охота Уна Харт: Дикая охота

Отрывок из нового нуар-детектива Уны Харт

СНОБ
Как советский летчик подарил США секретный самолет-перехватчик: история самого громкого авиаугона времен холодной войны Как советский летчик подарил США секретный самолет-перехватчик: история самого громкого авиаугона времен холодной войны

История советского летчика-перебежчика, повлиявшая на историю военной авиации

Maxim
Как повысить иммунитет: 12 способов, доступных каждой Как повысить иммунитет: 12 способов, доступных каждой

Сомневаешься в своей способности противостоять болезням?

Cosmopolitan
Мастер перевоплощений: такой разный Джуд Лоу Мастер перевоплощений: такой разный Джуд Лоу

От обаятельного вдовца до Папы Римского: Джуду Лоу подвластна любая роль

Cosmopolitan
Завтрак с Сократом Завтрак с Сократом

Философия повседневной жизни

kiozk originals
Его прекрасная леди Его прекрасная леди

О любви первого президента СССР выходит спектакль. Что известно

Vogue
Еще 5 легендарных мечей, которые до сих пор целы Еще 5 легендарных мечей, которые до сих пор целы

Продолжаем серию ЖЗМ — «Жизнь замечательных мечей».

Maxim
Астрономы нашли потенциальную экзопланету в другой галактике по рентгеновскому транзиту Астрономы нашли потенциальную экзопланету в другой галактике по рентгеновскому транзиту

Объект обнаружен в спиральной галактике М51 вне Млечного Пути

N+1
Тайная жизнь деревьев Тайная жизнь деревьев

Что они чувствуют, как они общаются – открытие сокровенного мира

kiozk originals
Надоел блонд? Как вернуться к своему натуральному цвету волос — мнение эксперта Надоел блонд? Как вернуться к своему натуральному цвету волос — мнение эксперта

Покрасилась, а через пару месяцев поняла, что цвет надоел — знакомая история?

Cosmopolitan
Чудо на пляже: как вор случайно спас множество людей от бомбы в Тель-Авиве и стал национальным героем Чудо на пляже: как вор случайно спас множество людей от бомбы в Тель-Авиве и стал национальным героем

Как преступник стал спасителем именно благодаря своим криминальным наклонностям

Maxim
Между жизнью и смертью: 10 фактов о подушке безопасности Между жизнью и смертью: 10 фактов о подушке безопасности

Подушки безопасности: разбираемся в теории, практике и статистике

Популярная механика
10 самых безумных грузов, перевезенных по воздуху 10 самых безумных грузов, перевезенных по воздуху

Авиаперевозки, не поддающиеся никакой классификации.

Популярная механика
Правила жизни Тома Харди Правила жизни Тома Харди

Правила жизни английского актера Тома Харди

Esquire
«Контур жизни: Математик в поиске скрытой геометрии Вселенной» «Контур жизни: Математик в поиске скрытой геометрии Вселенной»

Отрывок из автобиографической книги математика Яу Шинтуна

N+1
Цивилизация Цивилизация

Чем Запад отличается от остального мира

kiozk originals
Нити судьбы Нити судьбы

А пряха — оказывается, современная профессия! Не верите?

Огонёк
Все о личной жизни новых ведущих «Орла и решки»: от Коваль до Родригеза Все о личной жизни новых ведущих «Орла и решки»: от Коваль до Родригеза

«Орёл и Решка» продолжает пополняться новыми выпусками с разных точек планеты

Cosmopolitan
Как горе влияет на наше физическое состояние Как горе влияет на наше физическое состояние

Горе охватывает не только разум, но и наше тело

Psychologies
13 отличных британских комедийных сериалов 13 отличных британских комедийных сериалов

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

Esquire
Открыть в приложении