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

Как восстановить режим сна Как восстановить режим сна

Превратись из ворчливого полуночника в раннюю пташку!

Maxim
Веероносцы и шмелевидки из Евразии помогут новозеландцам в борьбе с инвазивными осами Веероносцы и шмелевидки из Евразии помогут новозеландцам в борьбе с инвазивными осами

Новая Зеландия разрешила ввезти в страну два вида насекомых из Евразии

N+1
Картины маслом: шесть самых неловких ситуаций в жизни мужчины глазами художника Картины маслом: шесть самых неловких ситуаций в жизни мужчины глазами художника

Живопись и жизнь: неловкие ситуации в картинах

Maxim
Риналь Мухаметов: «Мне не нравится слово «брак» Риналь Мухаметов: «Мне не нравится слово «брак»

Актер театра и кино – о бытовых условностях и космическом вакууме

Cosmopolitan
Открыта странная, ранее неизвестная форма магнетизма у двухмерных материалов Открыта странная, ранее неизвестная форма магнетизма у двухмерных материалов

Немного о двумерном мире наноразмерных материалов, таких как графен

Популярная механика
Реальная любовь Реальная любовь

Мы встретились с известным футболистом Кириллом Комбаровым и его супругой

OK!
Первое фото, первое селфи, — все пионеры фотографии в одном месте Первое фото, первое селфи, — все пионеры фотографии в одном месте

По этим самым старым в своем роде снимкам легко оценить прогресс фотографии

Maxim
7 обычных продуктов, которые смертельно опасны, если их съесть слишком много 7 обычных продуктов, которые смертельно опасны, если их съесть слишком много

Ты наверняка и не подозревал, что в твоем кухонном шкафу есть яды!

Maxim
Чао, дорогой! 6 мотивирующих сериалов про развод Чао, дорогой! 6 мотивирующих сериалов про развод

Героини этих сериалов доказывают, что развод — это не конец всего

Cosmopolitan
Тайна платка с узором из земляники Тайна платка с узором из земляники

Историю любви и предательства Отелло и Дездемоны не так проста, как кажется

Вокруг света
Хроники русского языка: чем на самом деле различаются гаджет и девайс Хроники русского языка: чем на самом деле различаются гаджет и девайс

Одна из лингвистических заметок Ирины Левонтиной из книги «Честное слово»

Forbes
Ученые установили, почему родители девочек разводятся чаще, чем родители мальчиков Ученые установили, почему родители девочек разводятся чаще, чем родители мальчиков

Почему число разводов стремительно возрастает, когда дочь становится подростком

Maxim
Вдохновленные Вдохновленные

Книга о том, что нужно знать продакт-менеджеру

kiozk originals
Внедорожник быстрее Ferrari: тест-драйв GMC Typhoon Внедорожник быстрее Ferrari: тест-драйв GMC Typhoon

Этот автомобиль можно считать дедушкой всех современных суперкроссоверов

РБК
Лже-Маяковские и еще 4 невероятные ретрофотографии Лже-Маяковские и еще 4 невероятные ретрофотографии

Иногда черно-белые снимки удивительнее цветных фильмов!

Maxim
5 способов усилить мотивацию для похудения (теперь у тебя точно получится) 5 способов усилить мотивацию для похудения (теперь у тебя точно получится)

Как получить мотивацию для похудения?

Playboy
Все, что вы хотели знать о полиамории, но стеснялись спросить Все, что вы хотели знать о полиамории, но стеснялись спросить

Разбираемся, что такое полиамория и к чему надо быть готовым в таких отношениях

Psychologies
Голливудский ГУЛАГ Голливудский ГУЛАГ

Михаил Трофименков о «Мавританце» — истории политического заключенного XXI века

Weekend
Наука о землетрясениях, вулканах и гораздо большем Наука о землетрясениях, вулканах и гораздо большем

Сколько же на самом деле происходит землетрясений и извержений в мире и России

Наука
Антидепрессант остановил разрушение хрящей при остеоартрите Антидепрессант остановил разрушение хрящей при остеоартрите

Пароксетин может стать препаратом для лечения остеоартрита

N+1
Создал AWS, получил свободу действий, мог возглавить Microsoft и Uber: что известно о новом главе Amazon Энди Джесси Создал AWS, получил свободу действий, мог возглавить Microsoft и Uber: что известно о новом главе Amazon Энди Джесси

Что известно о приемнике Джеффа Безоса

VC.RU
Чему нас может научить общение с нарциссами Чему нас может научить общение с нарциссами

Общение с нарциссами истощает и выматывает

Psychologies
Говорить ли с детьми о политике? Говорить ли с детьми о политике?

Как разговаривать с детьми о политике сегодня?

Psychologies
Паоло Солери и Arcosanti: как построить Бога Паоло Солери и Arcosanti: как построить Бога

Дом Паоло Солери называется Cosanti, то есть что-то вроде «дело против»

Weekend
Улучшить память и внимание: упражнения, которые можно делать по дороге на работу Улучшить память и внимание: упражнения, которые можно делать по дороге на работу

Забываете о простых задачах и ежедневных делах? Снижается концентрация?

Psychologies
Летающий танк или летающий гроб? 6 железных фактов о штурмовике Ил-2 Летающий танк или летающий гроб? 6 железных фактов о штурмовике Ил-2

Каким был штурмовик Ил-2?

Maxim
«Бывало, кожаной монетой…» «Бывало, кожаной монетой…»

Писатель и литературовед Алексей Биргер — о биографии поэта Николая Языкова

Наука
Алло, гараж! Алло, гараж!

Смартфон и кнопочный телефон: как выбрать мобильник для своей мамы или бабушки?

Лиза
Ресторатор Евгений Ничипурук — о русской пивной и проекте братьев Рока Ресторатор Евгений Ничипурук — о русской пивной и проекте братьев Рока

Ресторатор Евгений Ничипурук — это человек-мотор, который все успевает

РБК
«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
Открыть в приложении