Вторая половина XX века была периодом бурного развития ядерной физики

Популярная механикаНаука

Термоядерные реакторы: есть ли у них будущее

Игорь Егоров

Вторая половина XX века была периодом бурного развития ядерной физики. Стало ясно, что ядерные реакции можно использовать для получения огромной энергии из мизерного количества топлива. От взрыва первой ядерной бомбы до первой АЭС прошло всего девять лет, и когда в 1952 году была испытана водородная бомба, появились прогнозы, что уже в 1960-х вступят в строй термоядерные электростанции. Увы, эти надежды не оправдались.

Основной источник энергии для человечества в настоящее время — сжигание угля, нефти и газа. Но их запасы ограничены, а продукты сгорания загрязняют окружающую среду. Угольная электростанция дает больше радиоактивных выбросов, чем АЭС такой же мощности! Так почему же мы до сих пор не перешли на ядерные источники энергии? Причин тому много, но главной из них в последнее время стала радиофобия. Несмотря на то что угольная электростанция даже при штатной работе вредит здоровью куда большего числа людей, чем аварийные выбросы на АЭС, она делает это тихо и незаметно для публики. Аварии же на АЭС сразу становятся главными новостями в СМИ, вызывая общую панику (часто совершенно необоснованную). Впрочем, это вовсе не означает, что у ядерной энергетики нет объективных проблем. Немало хлопот доставляют радиоактивные отходы: технологии работы с ними все еще крайне дороги, и до идеальной ситуации, когда все они будут полностью перерабатываться и использоваться, еще далеко.

a506c234f2bfbbc206ecc5f66ae2fbf0.jpg
Из всех термоядерных реакций в ближайшей перспективе интересны лишь четыре: дейтерий+дейтерий (продукты - тритий и протон, выделяемая энергия 4,0 МэВ), дейтерий+дейтерий (гелий-3 и нейтрон, 3,3 МэВ), дейтерий+тритий (гелий-4 и нейтрон, 17,6 МэВ) и дейтерий+гелий-3 (гелий-4 и протон, 18,2 МэВ). Первая и вторая реакции идут параллельно с равной вероятностью. Образующиеся тритий и гелий-3 «сгорают» в третьей и четвертой реакциях.

От деления к синтезу

Потенциально решить эти проблемы позволяет переход от реакторов деления к реакторам синтеза. Если типичный реактор деления содержит десятки тонн радиоактивного топлива, которое преобразуется в десятки тонн радиоактивных отходов, содержащих самые разнообразные радиоактивные изотопы, то реактор синтеза использует лишь сотни граммов, максимум килограммы, одного радиоактивного изотопа водорода — трития. Кроме того, что для реакции требуется ничтожное количество этого наименее опасного радиоактивного изотопа, его производство к тому же планируется осуществлять непосредственно на электростанции, чтобы минимизировать риски, связанные с транспортировкой. Продуктами синтеза являются стабильные (не радиоактивные) и нетоксичные водород и гелий. Кроме того, в отличие от реакции деления, термоядерная реакция при разрушении установки моментально прекращается, не создавая опасности теплового взрыва. Так почему же до сих пор не построено ни одной действующей термоядерной электростанции? Причина в том, что из перечисленных преимуществ неизбежно вытекают недостатки: создать условия синтеза оказалось куда сложнее, чем предполагалось в начале.

Критерий Лоусона

Чтобы термоядерная реакция была энергетически выгодной, нужно обеспечить достаточно высокую температуру термоядерного топлива, достаточно высокую его плотность и достаточно малые потери энергии. Последние численно характеризуются так называемым «временем удержания», которое равно отношению запасённой в плазме тепловой энергии к мощности потерь энергии (многие ошибочно полагают, что «время удержания» – это время, в течение которого в установке поддерживается горячая плазма, но это не так). При температуре смеси дейтерия и трития, равной 10 кэВ (примерно 110 000 000 градусов), нам нужно получить произведение числа частиц топлива в 1 см3 (т.е. концентрации плазмы) на время удержания (в секундах) не менее 1014. При этом неважно, будет ли у нас плазма с концентрацией 1014 см-3 и временем удержания 1 с, или плазма с концентрацией 1023 и время удержания 1 нс. Это критерий называется «критерием Лоусона».

Кроме критерия Лоусона, отвечающего за получение энергетически выгодной реакции, существует ещё критерий зажигания плазмы, который для дейтерий-тритиевой реакции примерно втрое больше критерия Лоусона. «Зажигание» означает, что той доли термоядерной энергии, что остаётся в плазме, будет хватать для поддержания необходимой температуры, и дополнительный нагрев плазмы больше не потребуется.

Z-пинч

Первым устройством, в котором планировалось получить управляемую термоядерную реакцию, стал так называемый Z-пинч. Эта установка в простейшем случае состоит всего из двух электродов, находящихся среде дейтерия (водорода-2) или смеси дейтерия и трития, и батареи высоковольтных импульсных конденсаторов. На первый взгляд кажется, что она позволяет получить сжатую плазму, разогретую до огромной температуры: именно то, что нужно для термоядерной реакции! Однако в жизни все оказалось, увы, далеко не так радужно. Плазменный жгут оказался неустойчивым: малейший его изгиб приводит к усилению магнитного поля с одной стороны и ослаблению с другой, возникающие силы еще больше увеличивают изгиб жгута — и вся плазма «вываливается» на боковую стенку камеры. Жгут неустойчив не только к изгибу, малейшее его утоньшение приводит к усилению в этой части магнитного поля, которое еще сильнее сжимает плазму, выдавливая ее в оставшийся объем жгута, пока жгут не будет окончательно «передавлен». Передавленная часть обладает большим электрическим сопротивлением, так что ток обрывается, магнитное поле исчезает, и вся плазма рассеивается.

f4eb039f6a97ebf39ae043f1ef777bcd.jpg
Принцип работы Z-пинча прост: электрический ток порождает кольцевое магнитное поле, которое взаимодействует с этим же током и сжимает его. В результате плотность и температура плазмы, через которую течёт ток, возрастают.

Стабилизировать плазменный жгут удалось, наложив на него мощное внешнее магнитное поле, параллельное току, и поместив в толстый проводящий кожух (при перемещении плазмы перемещается и магнитное поле, что индуцирует в кожухе электрический ток, стремящийся вернуть плазму на место). Плазма перестала изгибаться и пережиматься, но до термоядерной реакции в сколько-нибудь серьезных масштабах все равно было далеко: плазма касается электродов и отдает им свое тепло.

Современные работы в области синтеза на Z-пинче предполагают еще один принцип создания термоядерной плазмы: ток протекает через трубку из плазмы вольфрама, которая создает мощное рентгеновское излучение, сжимающее и разогревающее капсулу с термоядерным топливом, находящуюся внутри плазменной трубки, подобно тому, как это происходит в термоядерной бомбе. Однако эти работы имеют чисто исследовательский характер (изучаются механизмы работы ядерного оружия), а выделение энергии в этом процессе все еще в миллионы раз меньше, чем потребление.

dfa56c5de949f9ff8605bef5c6bbf023.jpg
Чем меньше отношение большого радиуса тора токамака (расстояния от центра всего тора до центра поперечного сечения его трубы) к малому (радиусу сечения трубы), тем больше может быть давление плазмы при том же магнитном поле. Уменьшая это отношение, учёные перешли от круглого сечения плазмы и вакуумной камеры к D-образному (в этом случае роль малого радиуса выполняет половина высоты сечения). У всех современных токамаков форма сечения именно такая. Предельным случаем стал так называемый «сферический токамак». В таких токамаках вакуумная камера и плазма имеют почти сферическую форму, за исключением узкого канала, соединяющего полюса сферы. В канале проходят проводники магнитных катушек. Первый сферический токамак, START, появился лишь в 1991-м году, так что это достаточно молодое направление, но оно уже показало возможность получить то же давление плазмы при втрое меньшем магнитном поле.

Пробкотрон, стелларатор, токамак

Другой вариант создания необходимых для реакции условий — так называемые открытые магнитные ловушки. Самая известная из них — «пробкотрон»: труба с продольным магнитным полем, которое усиливается на ее концах и ослабевает в середине. Увеличенное на концах поле создает «магнитную пробку» (откуда русское название), или «магнитное зеркало» (английское — mirror machine), которое удерживает плазму от выхода за пределы установки через торцы. Однако такое удержание неполное, часть заряженных частиц, движущихся по определенным траекториям, оказывается способной пройти через эти пробки. А в результате столкновений любая частица рано или поздно попадет на такую траекторию. Кроме того, плазма в пробкотроне оказалась еще и неустойчивой: если в каком-то месте небольшой участок плазмы удаляется от оси установки, возникают силы, выбрасывающие плазму на стенку камеры. Хотя базовая идея пробкотрона была значительно усовершенствована (что позволило уменьшить как неустойчивость плазмы, так и проницаемость пробок), к параметрам, необходимым для энергетически выгодного синтеза, на практике даже приблизиться не удалось.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Ловушка самоуспокоения: почему мы в нее попадаем и как оттуда выбраться Ловушка самоуспокоения: почему мы в нее попадаем и как оттуда выбраться

Тревожные мысли порой одолевают каждого

Psychologies
Люк Бессон Люк Бессон

Правила жизни Люка Бессона

Esquire
Самая большая свалка электроники и еще четыре места на Земле с самыми экстремальными условиями Самая большая свалка электроники и еще четыре места на Земле с самыми экстремальными условиями

В этих экстремальных местах живут люди

Maxim
Инклюзивный наем: зачем компании берут на работу людей с физическими и ментальными особенностями Инклюзивный наем: зачем компании берут на работу людей с физическими и ментальными особенностями

Что упускает бизнес, с недоверием относящийся к сотрудникам с инвалидностью?

Forbes
«Без везения не обошлось. Но должно быть что-то больше, чем везение»: Юрий Мильнер о принципах, инвестициях и космосе «Без везения не обошлось. Но должно быть что-то больше, чем везение»: Юрий Мильнер о принципах, инвестициях и космосе

Главное из большого интервью Юрия Мильнера проекту «Русские норм»

VC.RU
5 шагов к счастливой жизни по-испански 5 шагов к счастливой жизни по-испански

Что делает испанцев счастливыми и жизнерадостными?

Psychologies
15 лайфхаков для макияжа на каждый день 15 лайфхаков для макияжа на каждый день

Приемы, которые помогут сократить время, которое ты тратишь на утренний макияж

Cosmopolitan
Перекачанные лица, или Overfilling: как выходят и чем грозят, знает косметолог Перекачанные лица, или Overfilling: как выходят и чем грозят, знает косметолог

Зачем так надуваться? Психологическая проблема или ошибка пластического хирурга?

Cosmopolitan
10 дешевых иномарок, которые понравились бы россиянам. Фото 10 дешевых иномарок, которые понравились бы россиянам. Фото

Аналоги бюджетных иномарок, популярных в России

РБК
Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии

Что мы знаем о Николае Копернике?

Вокруг света
Криптомиллионеры начали платить тысячи долларов за право собственности на мемы. Wired рассказал, как устроен рынок NFT Криптомиллионеры начали платить тысячи долларов за право собственности на мемы. Wired рассказал, как устроен рынок NFT

Биткоин-элита тратит миллионы долларов на покупку цифрового искусства

Inc.
Узнай, кем станет твой ребенок, по игрушкам, в которые он играет Узнай, кем станет твой ребенок, по игрушкам, в которые он играет

То, с чем играет твой ребенок, может определить его судьбу

Maxim
В чертах лица латиноамериканцев обнаружили наследие денисовцев В чертах лица латиноамериканцев обнаружили наследие денисовцев

Ученые из 13 стран выявили у латиноамериканцев гены, связанные с чертами лица

N+1
«Экономист под прикрытием. Почему возникают пробки, кофе стоит дорого и невозможно найти хорошую подержанную машину» «Экономист под прикрытием. Почему возникают пробки, кофе стоит дорого и невозможно найти хорошую подержанную машину»

Как водители влияют на окружающих?

N+1
Только белый: как научиться носить самый нежный цвет и приручить total white Только белый: как научиться носить самый нежный цвет и приручить total white

Несколько практических советов по адаптации моды на белый цвет к реальной жизни

Cosmopolitan
У вызывающей болезнь Крона бактерии нашли слабое место У вызывающей болезнь Крона бактерии нашли слабое место

Ученые надеются, что открыли ключ к созданию терапии болезни Крона

N+1
Бизнес зажег искру в науке. Как новая лаборатория нобелевского лауреата может изменить подход к научным исследованиям в России Бизнес зажег искру в науке. Как новая лаборатория нобелевского лауреата может изменить подход к научным исследованиям в России

Как в России собираются пробудить интерес бизнеса к научным исследованиям

СНОБ
Как себя вести, когда твоя девушка больна Как себя вести, когда твоя девушка больна

Что делать тебе, когда ей все не так и все не то

Maxim
Невероятная жизнь скрипача Оле Булла, которого называли «Элвисом XIX века» Невероятная жизнь скрипача Оле Булла, которого называли «Элвисом XIX века»

Его слава парадоксальным образом угасла сразу после смерти

Maxim
10 потрясающих особенностей Плутона 10 потрясающих особенностей Плутона

Станция «Новые горизонты» достигла Плутона: какую информацию удалось собрать

Популярная механика
Да Лана вам Да Лана вам

Почему новая пластинка Ланы дель Рей может стать самой токсичной в её карьере

GQ
Северный «биток»: как устроен бизнес первого в российской Арктике майнинг-отеля Северный «биток»: как устроен бизнес первого в российской Арктике майнинг-отеля

Как устроена первая криптоферма в российской Арктике?

Forbes
Эти чувства — вода Эти чувства — вода

Сергей Лазарев провел новогодние каникулы с друзьями на Бали

OK!
Химики создали искусственные сухожилия Химики создали искусственные сухожилия

Этот полимер, сравним по прочности, эластичности и долговечности с сухожилиями

N+1
Как помочь ребенку найти друзей и поддерживать отношения с ними Как помочь ребенку найти друзей и поддерживать отношения с ними

Родители и друзья ребенка: как общаться и не беспокоиться

Psychologies
Что такое Синдром упущенной выгоды и как его побороть Что такое Синдром упущенной выгоды и как его побороть

Возможно, ты счастливый обладатель Синдрома упущенной выгоды

Maxim
Лекарство матушки Анрио Лекарство матушки Анрио

История и производство абсента

Вокруг света
Чешское образование. Речь Филипа Рота на вручении американской литературной премии Чешское образование. Речь Филипа Рота на вручении американской литературной премии

Отрывок из книги Филипа Рота «Зачем писать?»

СНОБ
На старт! Внимание! Гипс! Самые смешные и пугающие спортивные фото На старт! Внимание! Гипс! Самые смешные и пугающие спортивные фото

Спорт может быть скучным и серьезным

Maxim
Старые письма о главном: как писатели признавались в любви Старые письма о главном: как писатели признавались в любви

Лучшие любовные письма писателей

Esquire
Открыть в приложении