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

Чернобыльское досье КГБ Чернобыльское досье КГБ

Украинская власть за последние годы рассекретила огромный массив документов КГБ

Дилетант
Вароша — застывший во времени «город-призрак» на Кипре Вароша — застывший во времени «город-призрак» на Кипре

А ведь когда-то он был одним из самых популярных курортов в мире

Maxim
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
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
Солнцестояние на острове проклятых: о чем новый сериал «Третий день» с Джудом Лоу Солнцестояние на острове проклятых: о чем новый сериал «Третий день» с Джудом Лоу

«Третий день» — оккультный триллер про альтернативную историю и Брекзит

Esquire
5 закрученных фактов об усах 5 закрученных фактов об усах

Из истории усов: во время Первой мировой усы могли стоить солдату жизни

Maxim
Часики тикают Часики тикают

Знакомьтесь: звезда TikTok и Instagram Лиза Анохина

Vogue
Королева детективов: 9 мифов об Агате Кристи Королева детективов: 9 мифов об Агате Кристи

«Убийца — дворецкий»: как на самом деле писала Агата Кристи

Вокруг света
(Не) конкурент: в чем нейросеть уступает человеку, а в чем нет (Не) конкурент: в чем нейросеть уступает человеку, а в чем нет

Какие человеческие качества все еще невозможно воспроизвести в нейросетях?

РБК
Такого Джуда Лоу вы еще не видели. Хоррор-сериал «Третий день» с аллюзиями на Брекзит Такого Джуда Лоу вы еще не видели. Хоррор-сериал «Третий день» с аллюзиями на Брекзит

«Третий день» — необычный фолк-хоррор

Forbes
Названы памятники, которые уничтожит изменение климата Названы памятники, которые уничтожит изменение климата

Изменение климата коснется наших потомков и сотрет следы наших предков

Популярная механика
В кадре и за кадром В кадре и за кадром

Женщины в кинопроизводстве уже давно не исключение

OK!
Рациональный оптимист Рациональный оптимист

Как достичь процветания

kiozk originals
10 самых невероятных авиакатастроф в истории 10 самых невероятных авиакатастроф в истории

Мы не будем объяснять, почему именно эти катастрофы феноменальны

Maxim
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
10 лучших детективов Агаты Кристи 10 лучших детективов Агаты Кристи

Романы, за которые мы так любим Агату Кристи

Maxim
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.
Сами с усами Сами с усами

Женщина вполне способна справиться с ремонтом сама – попробуй!

Лиза
Ребенок идет в детский сад: как преодолеть родительскую тревогу Ребенок идет в детский сад: как преодолеть родительскую тревогу

Как создать правильный настрой, чтобы быстро пройти адаптацию в детском саду?

Psychologies
«Беспилотник не может проехать и километра, несмотря на $2,5 млрд инвестиций»: проблемы беспилотного подразделения Uber «Беспилотник не может проехать и километра, несмотря на $2,5 млрд инвестиций»: проблемы беспилотного подразделения Uber

У Uber ATG кончаются деньги, а внутри команды разгораются конфликты

VC.RU
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
Нейробиолог омолодил свой мозг и рассказал, как сделать так же Нейробиолог омолодил свой мозг и рассказал, как сделать так же

Привычки, которые помогают сохранить молодость мозга

Inc.
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
Наполеон Великий Наполеон Великий

Как Наполеон завоевал Европу и изменил мир

kiozk originals
Время действия Время действия

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

Glamour
Яжемать: боль, гнев и любовь Яжемать: боль, гнев и любовь

Что за женщина скрывается за громким названием "яжемать"

Psychologies
Гутенберг, фанат технологий Гутенберг, фанат технологий

Первый в мире технопредприниматель

kiozk originals
Комик и актер Адам Коновер: о том, почему удовольствие — хреновая штука Комик и актер Адам Коновер: о том, почему удовольствие — хреновая штука

Как сделать так, чтобы жизнь стоила того, чтобы жить?

Playboy
Призрак бывшей: как жить, если ты – вторая жена Призрак бывшей: как жить, если ты – вторая жена

Если ты – вторая жена, то в браке постоянно будет присутствовать его бывшая

Cosmopolitan
Как заснуть, если мешают мысли о работе Как заснуть, если мешают мысли о работе

Как уснуть, если работа не уходит из головы, а подсчета овец уже недостаточно

Inc.
Открыть в приложении