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

О чём поведала астролябия VP-856 и как цифровые карты помогли заглянуть в прошлое О чём поведала астролябия VP-856 и как цифровые карты помогли заглянуть в прошлое

Как ученые и путешественники делали первые карты и измеряли расстояния

Наука и жизнь
Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии

Что мы знаем о Николае Копернике?

Вокруг света
Заложница собственного отца и жертва поп-культуры? Что мы узнали из документального фильма The New York Times о Бритни Спирс Заложница собственного отца и жертва поп-культуры? Что мы узнали из документального фильма The New York Times о Бритни Спирс

Как развивалась карьера Бритни Спирс почему она 13 лет не принимает решения сама

Esquire
«Полю все равно, какого я пола»: почему индийские женщины протестуют из-за аграрной реформы «Полю все равно, какого я пола»: почему индийские женщины протестуют из-за аграрной реформы

Как индийские фермерши совмещают работу в поле с политическим активизмом

Forbes
Как сделать волосы густыми и мягкими: 7 советов для идеальной прически Как сделать волосы густыми и мягкими: 7 советов для идеальной прически

Шикарные волосы — это необязательно заслуга природы

Cosmopolitan
Шведский роман-катастрофа, оставляющий надежду: фрагмент новой книги Микаеля Ниеми «Дамба» Шведский роман-катастрофа, оставляющий надежду: фрагмент новой книги Микаеля Ниеми «Дамба»

Роман Микаеля Ниеми «Дамба» погружает в атмосферу шведской глубинки

Esquire
Мясное растениеводство Мясное растениеводство

Производством искусственных котлет занялись и стартапы, и крупные агрохолдинги

Forbes
Малыш «Голиаф» — очень смешное и почти нестрашное супероружие вермахта Малыш «Голиаф» — очень смешное и почти нестрашное супероружие вермахта

Танкетка «Голиаф» — крохотное изобретение вермахта

Maxim
Не давить, дома не лечить: что сегодня нужно знать об акне Не давить, дома не лечить: что сегодня нужно знать об акне

Разбираемся в причинах возникновения акне и в вариантах решения этой проблемы

РБК
Ботокс: что нужно знать, прежде чем принимать решение Ботокс: что нужно знать, прежде чем принимать решение

Что лучше знать до инъекций ботокса и как он влияет на красоту и здоровье

РБК
Как менялось отношение к делу Вуди Аллена и Миа Фэрроу Как менялось отношение к делу Вуди Аллена и Миа Фэрроу

История отношения общества и прессы к Вуди Аллену и его семье с Миа Фэрроу

Weekend
Комик накануне обвинений Комик накануне обвинений

Несвоевременная биография Вуди Аллена

Эксперт
Что не так с фильмом «Малкольм и Мари» от создателей «Эйфории» Что не так с фильмом «Малкольм и Мари» от создателей «Эйфории»

Режиссер Сэм Левинсон слишком увлекся саморефлексией

GQ
Самые странные вещи, которыми снабжали заключенных в тюрьмах мира Самые странные вещи, которыми снабжали заключенных в тюрьмах мира

О самых странных вещах, которыми в разные времена снабжали заключенных в тюрьмах

Maxim
Зачем женщины смотрят порно Зачем женщины смотрят порно

Изначально порнография была предназначена исключительно для мужчин

Psychologies
Михаил Гиголашвили: Кока. Новый роман лауреата премии «Большая книга» Михаил Гиголашвили: Кока. Новый роман лауреата премии «Большая книга»

Первая глава из романа-странствия Михаила Гиголашвили «Кока»

СНОБ
Живу чужую жизнь: какие трудности тебя ждут, если ты не на своем месте в семье Живу чужую жизнь: какие трудности тебя ждут, если ты не на своем месте в семье

Посещают ли тебя мысли, что ты живешь неправильно?

Cosmopolitan
Плазменные чудеса: от пистолета до медицины Плазменные чудеса: от пистолета до медицины

Реальные фантастические профессии плазмы

Популярная механика
Не только от морщин: что «умеют» уколы ботокса в хороших руках доктора Не только от морщин: что «умеют» уколы ботокса в хороших руках доктора

При каких болезнях без ботокса не обойтись и как именно он помогает

Cosmopolitan
Продолжение следует Продолжение следует

Почему разрушение кинематографических скреп — это нормально

Glamour
Качотта, улитки и антикварная мебель: la vie est belle в деревне Бёхово Качотта, улитки и антикварная мебель: la vie est belle в деревне Бёхово

Бёхово — особенное место; и люди там живут под стать ему

Seasons of life
«Искусство статистики. Как находить ответы в данных» «Искусство статистики. Как находить ответы в данных»

Выводы из данных — процесс «индуктивного умозаключения»

N+1
6 самых жутких врачей в истории 6 самых жутких врачей в истории

После этой статьи ты начнешь обходить районную поликлинику стороной!

Maxim
Clubhouse зазвучалa фальшиво Clubhouse зазвучалa фальшиво

Какие риски создает популярная соцсеть для голосового общения Clubhouse

РБК
Пять самых известных политзаключенных Пять самых известных политзаключенных

Самые известные политзаключенные в истории

Maxim
Какое молоко полезнее: растительное или обычное? Какое молоко полезнее: растительное или обычное?

Вредно или полезно постоянно заменять обычное молоко растительным?

Reminder
Брокер или мошенник: как работают схемы с фейковыми инвестициями в акции и криптовалюты Брокер или мошенник: как работают схемы с фейковыми инвестициями в акции и криптовалюты

Как мошенники отбирают деньги, пользуясь доверчивостью россиян

Forbes
Выход из тупика: почему Голливуд все время снимает новые франшизы по старым блокбастерам Выход из тупика: почему Голливуд все время снимает новые франшизы по старым блокбастерам

Продолжения и ремейки успешных картин становятся основной стратегией киностудий

Forbes
Новая Lada Niva Travel: первые впечатления за рулем Новая Lada Niva Travel: первые впечатления за рулем

Дебют обновленной Lada Niva

РБК
С вами говорит телевизор С вами говорит телевизор

Татьяна Алешичева о сериале «Ванда/Вижен», умном супергеройском ситкоме

Weekend
Открыть в приложении