Термоядерный синтез

Содержание

Концептуальный проект

Термоядерный синтез, та же реакция, которая происходит в центре Солнца, соединяются атомные ядра, чтобы сформировать более тяжелые ядра. Термоядерный синтез генерирует гораздо больше поток энергии, чем сжигание ископаемого топлива.

Например, в количестве атомов водорода размером с ананас находится столько же энергии, сколько в 10 000 тонн угля, в соответствии с заявлением по проекту международного термоядерного реактора.

В отличие от ядерного деления которое разбивает большие атомы на более мелкие этот термоядерный реактор не будет производить высокий уровень радиоактивных отходов. И в отличие от установок по производству ископаемого топлива, термоядерная энергия слияния не генерирует парниковых газов, углекислого газа или других загрязнителей.

Ядерное деление

В термоядерном реакторе выделяется энергия при синтезе лёгких ядер (водорода, гелия и лития). Чтоб два ядра водорода (на практике – дейтерия и/или трития, то есть изотопов водорода) сошлись на достаточно близкое расстояние, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание одноименно заряженных ядер, необходимо создать либо огромное давление, либо крайне высокую температуру.

В термоядерном реакторе нет ничего самопроизвольного, поэтому он безопаснее.  Любое неконтролируемое повреждение и исчезают условия, необходимые для термоядерного синтеза.

Термоядерный синтез

Атомный термоядерный реактор использует сверхпроводящие магниты для плавления атомов водорода и получения большого количества тепла. Будущие атомные термоядерные электростанции могут затем использовать эту теплоту для привода турбин и выработки электроэнергии.

Экспериментальный реактор не будет использовать обычные атомы водорода, ядра которых состоят из одного протона. Вместо этого он будет взрывать дейтерий, ядра которого имеют один протон и один нейтрон, с тритием, ядра которых имеют один протон и два нейтрона. Дейтерий легко извлекается из морской воды, а тритий будет сгенерирован внутри термоядерного реактора. Поставки этих видов топлива достаточно велики, достаточно на миллионы лет при нынешнем глобальном потреблении энергии.

И в отличие от реакторов деления, термоядерное синтезирование является очень безопасным: если реакции термоядерного синтеза нарушаются в пределах завода по термоядерному синтезу, термоядерные реакторы просто отключаются безопасно и без необходимости внешней помощи, отметил проект ITER. Теоретически, плавильные установки также используют только несколько граммов топлива одновременно, поэтому нет возможности аварии расплава.

Будущее мировой энергетики

В то же время, к концу двадцатого столетия стало отчетливо ясно, что человечество стоит перед угрозой всемирного энергетического голода. Тогда, двадцать лет назад, 80% мировой электроэнергии производилось на тепловых электростанциях, использующих в качестве источника энергии каменный уголь и природный газ, 15% приходилось на гидроэнергию, 10% — на ядерные (урановые) электростанции. Энергия солнечного излучения, ветра, морских приливов и тепла земных недр составляла в общем энергетическом балансе лишь сотые доли процента.

Работы ряда международных организаций позволили оценить мировые запасы природных источников электроэнергии и темпы нарастания ее потребления. По самым оптимистическим прогнозам, природного газа должно хватить на 100 лет, каменного угля — на 300 лет, урана — на 500 лет. Значительно расширить производство гидроэнергии не представляется возможным по экологическим соображениям. Мощные гидростанции требуют создания огромных водохранилищ, а это может нанести непоправимый вред природе. Так, например, при постройке крупнейшей в мире гидростанции «Три ущелья» на реке Янцзы (мощностью 22,5 ГВт) созданное искусственное озеро площадью в 630 км2 потребовало переселения трех миллионов человек. А в несколько раз меньшие по мощности российские гидростанции Братская и Усть-Илимская «снабжены» водохранилищами площадью 5400 км2 и 1830 км2 . Это уже не озера, а целые моря.

Мы специально ничего не говорим о нефти, запасы которой, как известно, наиболее ограничены (максимум на 60–80 лет). В получении электроэнергии сама нефть не играет заметной роли. Она используется для транспорта — авиационного, автомобильного, водного и железнодорожного. Часть транспорта, конечно, можно будет перевести на электрические двигатели, как уже это сделано для железнодорожного транспорта. Но, во-первых, это даст еще большую нагрузку на сжигание газа и каменного угля и, во-вторых, довольно трудно представить авиацию на «электрической тяге». А главное, прекратить использование нефти в качестве топлива придется довольно скоро, ведь нефть — невосполнимый источник многих химических технологий. Перефразируя Д. И. Менделеева, скоро можно будет сказать, что дешевле сжигать в автомобилях ассигнации, чем бензин.

Что произошло в мировой энергетике за прошедшие 20 лет? Главное изменение — это значительное увеличение доли используемого в качестве источника энергии природного газа. Она увеличилась с 5 до 15%. Соответственно, доля каменного угля уменьшилась до 50%. Гидроэнергия обеспечивает 20%, а ядерная энергия — 12%. По-прежнему крайне незначительна роль в энергетическом балансе энергии солнечного излучения и ветровой энергии. Увеличение доли природного газа в энергобалансе безусловно снижает экологический вред от сжигания каменного угля, в продуктах горения которого содержится целый ряд вредных газов и микрочастиц тяжелых металлов. Улавливание этих примесей перед выбросом газов в атмосферу обходится очень дорого. Это смогли себе позволить США, где сжигание каменного угля дает 60% энергии. А вот экологическая обстановка в густонаселенных районах Китая катастрофически ухудшается. В этой стране, почти лишенной природного газа, 75% электроэнергии производится за счет сжигания каменного угля. Россия в этом отношении — благополучная страна. Уже только 20% электроэнергии производится на угольных электростанциях, а 55% дает природный газ. Суммарная доля использования гидроэнергии и ядерной энергии примерно соответствует среднемировому показателю — 32%.

Атомная эра

По использованию в качестве источника энергии урана в мире существует резкая дифференциация. Всего сейчас работает 191 ядерная электростанция с 451 ядерным реактором (еще 60 реакторов находятся в стадии строительства). Из этого числа 100 реакторов построены в США и дают этой стране 20% электроэнергии. В России 36 реакторов дают почти пятую часть электроэнергии. Есть страны, в которых ядерная энергия — это треть энергии в ее общем балансе (Южная Корея, Финляндия). Имеются страны, где эта доля — почти половина всей энергии (Словакия, Украина). А вот в Китае и Индии доля ядерной энергии в общем балансе меньше 5%. Совсем не используется ядерная энергия в Австралии, в большинстве стран Южной и Центральной Америки и в многочисленных мелких государствах Океании. Опережает все страны по этому показателю Франция, в которой 58 ее ядерных реакторов производят 77% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Неслучайно статья в Википедии об экономике Франции начинается словами: «Франция — высокоразвитая страна, ядерная и космическая держава».

Отчасти это объясняется тем обстоятельством, что во Франции еще в 30-е годы прошлого века начали развиваться работы по ядерной физике. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (как и Энрико Ферми в Италии) стали нобелевскими лауреатами за получение новых изотопов («меченых атомов»). Но они не поняли, что в их опытах наблюдалась также реакция деления урана. Об этом догадались немецкие радиохимики и физики О. Ган, Ф. Штрассманн, Л. Мейтнер. Началась атомная эра. Энрико Ферми продолжал работы с ураном уже в США. Он изобрел и построил ядерный реактор, где в ноябре 1942 года впервые в мире была осуществлена цепная ядерная реакция деления урана. Но целью создания первых реакторов было не выработка электроэнергии, а получение плутония, искусственного трансуранового элемента, способного, как и уран, к взрывному осуществлению реакции деления.

После окончания войны и ужасных августовских событий 1945 года в Хиросиме и Нагасаки интересы многих физиков-ядерщиков сосредоточились на мирном использовании энергии деления. Их вдохновлял и запуск в 1954 году первой в мире ядерной электростанции в СССР. В реакторостроении Франция вскоре стала мировым лидером. Возможно, в этом немалую роль сыграли и почти полное отсутствие во Франции секретности ядерных исследований, и большой интерес к этим исследованиям французского правительства. На юге Франции, в маленьком городке Кадараш в 60 километрах от Марселя был создан мощный научный центр ядерной физики.

И именно там, неподалеку от Кадараша, в 2006 году было намечено построить ИТЭР — международный термоядерный экспериментальный реактор. Огромную строительную площадку размером с 400 футбольных полей было решено создать в лесном массиве, поскольку вся безлесная сельскохозяйственная округа была арендована частными владельцами. Первое дерево было срублено 29 января 2007 года. Но перед этим несколько лет уточнялись научные предпосылки строительства реактора и почти пять лет разрабатывался технический проект сооружения. Много времени ушло и на организацию финансирования проекта и создание управляющих органов. Первоначально планировалось запустить реактор в 2022 году и затратить 5 миллиардов долларов. Но в 2012 году проект был пересмотрен, сроком окончания строительства был намечен 2025 год, а предполагаемая сумма затрат возросла до 20 миллиардов долларов. Сейчас пройдена половина дистанции, и панорама строительства поражает воображение.

Кто же затеял и осуществил проект этой грандиозной стройки, поистине «стройки ХХI века»? Как возникла система финансирования и изготовления многочисленных узлов и агрегатов будущего реактора?

экономика

Даже если термоядерные электростанции должны быть технически осуществимыми, это не означает, что они также могут эксплуатироваться экономично. В отчете о состоянии немецкого Бундестага с 2002 он говорит: «В целом, поэтому спорный ли демка уже последуют термоядерные электростанции, которые могут работать в экономически конкурентной основе. Возможно, что начальные трудности потребуют дальнейшей государственной поддержки (Heindler 2001) ».

Нынешний председатель Консультативного совета Германии по глобальным изменениям (WBGU) , Hans Joachim Schellnhuber , который также является директором Потсдамского института исследований воздействия климата , критиковали высокие расходы на термоядерных исследований в 2015 году с учетом потенциала солнечной энергии:

— Ханс-Иоахим Шельнхубер : точки соприкосновения

EUROfusion , головная организация европейских исследований ядерного синтеза, предполагает следующий сценарий: при условии, что ископаемые виды топлива будут вытеснены из-за их вредного воздействия на климат и, следовательно, ядерный синтез является экономически конкурентоспособным, широкомасштабное использование новой технологии может: исходя из современных знаний, относиться к середине 21 века соответственно. Поэтому некоторые сомневаются, может ли термоядерная энергия играть роль в энергетическом переходе. Среди прочего, такая поздняя доступность привела WBGU к выводу в 2003 году, что нецелесообразно иметь энергетические концепции будущего, «хотя бы частично основанные на ядерном синтезе», учитывая нынешний статус.

Прогресс на пути его реализации

Исследования по данной теме идут в нескольких направлениях сразу:

1. с помощью использования сверхпроводящих магнитов учёные стараются сократить энергию, затрачиваемую на зажигание и поддержание реакции;
2. с помощью новых поколений сверхпроводников повышается индукция магнитного поля внутри реактора, которая позволяет удерживать плазму с более высокими показателями плотности и температуры, что увеличивает удельную мощность реакторов на единицу их объёма;
3. исследования в области горячей плазмы и успехи в сфере вычислительной техники позволяют лучше контролировать потоки плазмы, тем самым приближая термоядерные реакторы к их теоретическим пределам эффективности;
4. прогресс в предыдущей области также позволяет дольше удерживать плазму в стабильном состоянии, что увеличивает эффективность реактора за счёт того, что нам не надо так часто разогревать плазму вновь.

Не смотря на все трудности и проблемы, лежавшие на пути к управляемой термоядерной реакции, эта история уже приближается к своему финалу. В энергетике принято использовать показатель EROEI – energy return on energy investment (соотношение затраченной энергии при производстве топлива к тому объёму энергии, который мы из него получаем в итоге) для расчёта эффективности топлива. И в то время как EROEI угля продолжает расти, то этот показатель у нефти и газа достиг своего пика в середине прошлого века и теперь неуклонно падает за счёт того, что новые месторождения этих топлив находятся во всё в более труднодоступных местах и на всё больших глубинах:

При этом наращивать производство угля мы также не можем по той причине, что получение энергии из него является очень грязным процессом и буквально уносит жизни людей прямо сейчас от различных заболеваний лёгких. Так или иначе мы сейчас стоим на пороге заката эры ископаемых топлив – и это не происки экологов, а банальные экономические расчёты при взгляде в будущее. При этом EROI у экспериментальных термоядерных реакторов, появившихся также в середине прошлого века, неуклонно росли и в 2007 году достигли психологического барьера в единицу – то есть в этом году человечеству впервые удалось получить посредством термоядерной реакции больше энергии, чем затратить на её осуществление. И несмотря на то что на реализацию реактора ITER, эксперименты с ним и производство уже первой демонстрационной термоядерной электростанции DEMO на основе полученного при реализации ITER опыта потребуется ещё много времени. Уже нет никаких сомнений в том, что за такими реакторами находится наше будущее.

Литература

Влияние на структуру энергоснабжения

Демонстрационная электростанция DEMO должна впервые вырабатывать около 100 МВт электроэнергии. Однако для коммерческой эксплуатации он все равно будет слишком мал.

Поскольку затраты на строительство и финансирование составляют основную часть общих расходов на термоядерные электростанции , они могут использоваться, в частности, в качестве электростанций с базовой нагрузкой . В 2002 году со ссылкой на источник за 2001 год в отчете Бундестагу было сказано: «Надежность — решающий параметр для электростанций с базовой нагрузкой. Частые непредвиденные простои или длительные простои для обслуживания и ремонта сделают термоядерные электростанции непривлекательными. Предполагаемая в настоящее время доступность энергии термоядерной электростанции, составляющая 75% (Bradshaw 2001), сравнительно низкая по сравнению с другими крупными электростанциями, некоторые из которых достигают более 95% ».

Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов.

Мюоны µ−, вступая во взаимодействие с термоядерным топливом, образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов топлива несколько меньше, что облегчает их сближение и, кроме того, повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Число реакций синтеза X_c, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона. Экспериментально удалось получить значения X_c ~100, т. е. один мюон способен высвободить энергию ~ 100 × Х МэВ, где Х — энергетический выход катализируемой реакции.

Пока величина освобождаемой энергии меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии с использованием мюонного катализа возможно при X_c ~ 104.

Состав кораблей — участников парадов в честь Дня ВМФ опубликован на сайте Минобороны

Термоядерные реакции

В основе термоядерных реакций лежат реакции синтеза, то есть, по сути, происходит процесс обратный делению, ядра атомов не раскалываются на части, а наоборот сливаются друг с другом. При этом также происходит выделение большого количества энергии.

Термоядерные реакции, как это следует из самого из названия (термо – температура) могут протекать исключительно при очень высоких температурах. Ведь чтобы два ядра атомов слились, они должны приблизиться на очень близкое расстояние друг к другу, при этом преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов, такое возможно при существовании большой кинетической энергии, которая, в свою очередь, возможна при высоких температурах. Следует заметить, что на Солнце происходят термоядерные реакции водорода, впрочем, не только на нем, но и на других звездах, можно даже сказать, что именно она лежит в самой основе их природы всякой звезды.

Конструкции термоядерных реакторов

Сегодня для создания высокотемпературной плазмы используются два основных типа устройств:

• квазистационарные;
• импульсные.

К первой группе относятся устройства, в которых нагрев плазмы, а также ее удержание осуществляется с помощью мощного магнитного поля — токамаки, стеллараторы, магнитные ловушки. Они отличаются лишь конфигурацией магнитного поля.

Российский токамак Т-15МД. Его запуск состоится в декабре 2020 года

Сейчас основные надежды инженеров и ученых связаны с токамаками. Эти устройства представляют собой тороидальные камеры со множеством внешних магнитов, которые удерживают плазму, не давая ей коснуться стенок. Кроме того, электрический ток непосредственно проходит по плазменному шнуру в вакуумной камере, что является главным отличием токамаков от других устройств данного типа. В мире построено более трехсот токамаков, такую же схему будет иметь реактор, разрабатываемый сейчас в рамках проекта ITER. В 2003 году на токамаке Tore Supra был поставлен рекорд длительности удержания плазмы – 6,5 минут. Еще в 90-е годы на токамаках TFTR и JET удалось добиться получения энергии, практически равной затратам на разогрев плазмы. Никакие другие установки похвастать подобным достижениями пока не могут.

Вторым распространенным типом термоядерного реактора является стелларатор. В нем магнитное поле для удержания плазмы создается только внешними источниками

Такие устройства имеют более сложную конструкцию по сравнению с токамаками, и стоят они дороже, но поведение плазмы в стеллараторах более спокойное и предсказуемое, что очень важно для коммерческого использования технологии

Самый большой в мире реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Его строили почти 15 лет

Импульсные или инерциальные системы работают совсем по другому принципу. Если в токамаках и стеллараторах до огромных температур нагревается плазма сравнительно небольшой концентрации, то в инерциальных устройствах она сжимается до огромной плотности с помощью лазерного излучения или потока частиц. Подобная схема выглядит весьма заманчиво, но на практике все не так просто.

Первые попытки создать инерциальное устройство относятся к 60-м годам прошлого века. Первоначально из термоядерного топлива формировали небольшой шарик, который облучали множеством мощных лазерных лучей. Однако оказалось, что сфера нагревается неравномерно и слабо. Чтобы решить эти проблемы, мишень стали заключать в особый контейнер с отверстиями, через которые проникают лазерные лучи. Излучение поглощается специальными кристаллами, что превращают поступающее излучение в ультрафиолетовое. Прогрессу инерциального метода способствовала концепция «быстрого поджига», предполагающая использование двух лазерных импульсов: один сжимает топливную капсулу, другой – разогревает ее.

Море зеленой энергии

— Инициатором этой работы выступил академик Евгений Велихов еще в разгар перестройки в СССР, — вспоминает ученый. — Тогда же Михаилу Горбачеву удалось договориться с Рональдом Рейганом о совместном создании термоядерного реактора. Соединенные Штаты Америки в консультациях с Японией и Европейским сообществом выдвинули предложение относительно того, каким образом осуществлять такую деятельность. Уже в 1988 году началась фаза концептуального проектирования, затем был создан технический проект.

К участникам проекта присоединились Китай, Корея и Индия. Местом строительства выбрали юг Франции, неподалеку от Марселя, где находятся французский ядерный центр Кадараш и Комиссариат по альтернативным видам энергетики CEA. Кроме большого опыта в области создания оборудования для ядерной энергетики для строительства ИТЭР нужен был участок, доступный для крупного судоходства, поскольку масса деталей реактора составляет сотни тонн и превышает допустимые пределы возможностей наземных видов грузового транспорта.

Первый прообраз термоядерного реактора — ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитными катушками) — был изобретен и построен в СССР в 1954 году. Она представляет собой обмотанную магнитными катушками вакуумную камеру, внутри которой находится плазма, нагретая до десятков миллионов градусов. С того момента как в СССР появился первый работающий ТОКАМАК, в мире начался настоящий бум в области физики плазмы. Все поняли, что создание настоящего термоядерного реактора позволило бы отказаться от всех остальных видов энергии, прекратить сжигание топлива и выбросы в атмосферу двуокиси углерода и целого списка других вредных веществ. Непрерывно горящая плазма, процесс горения которой однажды вышел бы в режим самоподдержания — а именно это и должно произойти в ИТЭР, правда, на короткие промежутки времени, — это была бы победа над ресурсоемким производством энергии, над добывающей промышленностью, выкачивающей из недр все мыслимые и немыслимые ресурсы — уголь, нефть, газ. Никаких ресурсов, ноль выбросов и целое море энергии.

Происшествия с термоядерными боеприпасами

США, 1958

Основная статья: Столкновение над островом Тайби

Столкновение бомбардировщика B-47 и истребителя F-86 над островом Тайби 5 февраля 1958 года — авиационное происшествие над побережьем американского штата Джорджия, в результате которого истребитель был потерян, а экипажу бомбардировщика пришлось аварийно сбросить в океан водородную бомбу Mark 15.
Бомба до сих пор не найдена; считается, что она покоится на дне залива Уоссо (англ. Wassaw Sound) к югу от курортного города Тайби-Айленд.

Гренландия, 1968

Основная статья: Авиакатастрофа над базой Туле

21 января 1968 года вылетевший с аэродрома в Платтсбурге (штат Нью-Йорк) самолёт B-52 в 21:40 по среднеевропейскому времени врезался в ледяной панцирь залива Северная Звезда (Гренландия) в пятнадцати километрах от авиабазы ВВС США Туле. На борту самолёта находились 4 термоядерные авиабомбы.

Пожар способствовал детонации вспомогательных зарядов во всех четырёх атомных бомбах, находящихся на вооружении бомбардировщика, но не привёл к взрыву непосредственно ядерных устройств, поскольку они не были приведены в боеготовность экипажем. Более чем 700 датских гражданских и американских военных лиц работали в опасных условиях без средств личной защиты, устраняя радиоактивное загрязнение. В 1987 году почти 200 датских рабочих неудачно попытались предъявить иск Соединённым Штатам. Однако некоторая информация была выпущена американскими властями согласно Закону о свободе информации. Но Kaare Ulbak, главный консультант датского Национального института радиационной гигиены, сказал, что Дания тщательно изучила здоровье рабочих в Туле и не нашла свидетельств увеличения смертности или заболеваемости раком.

Пентагон опубликовал информацию о том, что все четыре атомных боезаряда были найдены и уничтожены. Но в ноябре 2008 года обозреватель Би-би-си Гордон Корера (англ. Gordon Corera) высказал предположение, основанное на анализе рассекреченных документов, что, вопреки утверждениям Пентагона, четвёртая атомная бомба могла быть не разрушена, а потеряна в результате катастрофы, и целью подводных работ 1968 года были её поиски. История получила широкое распространение в СМИ различных стран. Министр иностранных дел Дании Пер Стиг Меллер поручил Датскому институту международных отношений провести независимый анализ рассекреченных документов, оказавшихся в распоряжении журналиста. Отчёт был опубликован в 2009 году. В нём говорится: «Мы показали, что четыре ядерные бомбы были уничтожены при взрывах, последовавших за крушением. Это не обсуждается, и мы можем дать ясный ответ: никакой бомбы нет, никакой бомбы не было, и американцы не искали бомбу.»

США, 2007

Основная статья: Инцидент с ядерными боезарядами в ВВС США (2007)

29 августа 2007 года 6 крылатых ракет AGM-129 ACM с термоядерными боевыми частями (боеголовки W80 изменяемой мощности 5-150 кт) были по ошибке установлены на бомбардировщик B-52H на авиабазе Майнот в Северной Дакоте и отправлены на авиабазу Барксдейл в Луизиане. О факте наличия на ракетах ядерных боезарядов стало известно случайно и лишь 36 часов спустя. После погрузки в Майноте и по прилёте в Барксдейл, самолёт около суток не охранялся. Инцидент стал причиной громкого скандала в США, ряда отставок в Военно-воздушных силах и реорганизации управления стратегическими ядерными силами США.

Мюонный катализ

Основная статья: Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов.

Мюоны µ−, вступая во взаимодействие с термоядерным топливом, образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов топлива несколько меньше, что облегчает их сближение и, кроме того, повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Число реакций синтеза X_c, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона. Экспериментально удалось получить значения X_c ~100, т. е. один мюон способен высвободить энергию ~ 100 × Х МэВ, где Х — энергетический выход катализируемой реакции.

Пока величина освобождаемой энергии меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии с использованием мюонного катализа возможно при X_c ~ 104.

Применение

Применение термоядерной реакции как практически неисчерпаемого источника энергии связано в первую очередь с перспективой освоения технологии управляемого термоядерного синтеза (УТС). В настоящее время научная и технологическая база не позволяет использовать УТС в промышленных масштабах.

Первое испытание прототипа водородной бомбы. США, 1 ноября 1952 г. Проект Ivy Mike

Вместе с тем неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военном деле. Впервые термоядерное взрывное устройство было испытано в ноябре 1952 года в США, а уже в августе 1953 года в Советском Союзе испытали термоядерное взрывное устройство в виде авиабомбы. Мощность термоядерного взрывного устройства (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создавать взрывные устройства практически любой мощности.

Видео про ШРУС

Диагностика сердца ИТЭР

Россия строит чуть менее 10% реактора ИТЭР. Каждый день участники по несколько часов ведут обсуждение деталей проекта на онлайн-конференциях по темам, касающимся конкретных групп ученых и определенных стран. Автору этого текста пришлось покинуть кабинет как раз с началом такого онлайн-совещания, так и не успев задать эксперту всех вопросов. Зато интервью завершилось неожиданной экскурсией в чистый зал, где новосибирские физики уже сконструировали помещение для создания порт-плагов — бункеров размером с танк Т-60 и начиненных тысячами датчиков для измерения всех необходимых параметров горения плазмы. Это десятки тысяч видов различных измерений. Чаще всего это томографические измерения для постоянной фиксации и выявления различных характеристик плазмы. Через отдельные порты будет происходить собственно нагрев плазмы. Таких «танков» на реакторе 28, каждый — для решения своих задач. Все они будут закреплены непосредственно на вакуумной камере, поэтому их вес не должен превышать 50 тонн.

Четыре порт-плага (три верхних и один более крупный — экваториальный) создает Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. В каждом порт-плаге своими измерениями займутся разные группы ученых из нескольких стран. В порт-плагах, сделанных в Новосибирске, предстоит работать научным группам из России, Европы, Индии, Кореи и США. Задача сибиряков — интегрировать абсолютно разные технологии измерения в единый комплекс, при этом не превысив параметры порт-плагов ни по массе, ни по занимаемой площади внутри бункера. Ученые из ФТИ имени Иоффе планируют регистрировать в плазме атомы перезарядки, ученые из Кореи — измерять уровень ультрафиолетового излучения, а американские специалисты собираются проводить СВЧ-диагностику плазмы.

Организации из перечисленных стран-участниц займутся сборкой порт-плага непосредственно в ИЯФ СО РАН. Для сборки таких объектов нужны, с одной стороны, огромная грузоподъемность кранов для перемещения и различных манипуляций с многотонными комплектующими, с другой — необходимо чистое помещение, чтобы на прецизионно точное оборудование не попала пыль. Зал с такими уникальными характеристиками, вероятно, будет похож на гигантскую операционную. Такое сравнение выглядит особенно уместно, если иметь в виду, что вакуумная камера с порт-плагами — это сердце ИТЭР, а постоянные измерения — это диагностика, необходимая для его жизни.

С этой целью в ИЯФ создали огромный зал и оснастили его подвесным краном и промышленными системами фильтрации поступающего воздуха. При открывании люка для загрузки оборудования с улицы из помещения наружу поступает сильный встречный поток воздуха, который не допускает попадания пыли внутрь зала. Первые испытания пройдут на макетах. Начало сборки запланировано на 2022–2023 годы.

Texничecкиe xapaктepиcтики

Классика жанра из США

Классическая американская СШГ первого поколения М84, разработанная в 80-е годы в Арсенале Пикатинни, имеет стальной корпус с крупными отверстиями, которые пропускают свет и звуковую волну, при этом мелкие осколки частично задерживаются корпусом. Сам корпус выполнен шестигранным не просто так: при метании граната не укатится слишком далеко.

Изделие получилось крепкое и лёгкое, хорошо работающее: по заявления производителя, звук при срабатывании достигает 180 дБ, световая вспышка — 1,5-2 миллиона кандел. Если человек находится на расстоянии в пару метров от эпицентра, да ещё и смотрит в нужную сторону — 20-30 секунд ступора ему обеспечены. Для пущей безопасности взрыватель модифицировали: у него сразу две предохранительные чеки.

Граната, пришедшая на смену M84, демонстрирует уже другой подход: корпус уМодели 7290» выполнили из пластмассы, от дополнительной чеки изготовитель отказался.

СШГ М7290 — американская и израильская

Мощность заряда при этом несколько увеличили, соответственно выросла и эффективная дальность поражения — до пяти-семи метров. М84 и М7290 — самые распространённые образцы, их используют полицейские и контртеррористические подразделения по всему миру; да и в кино и компьютерныхстрелялках» вы увидите именно эти модели.

Мюонный катализ

Основная статья: Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов.

Мюоны µ−, вступая во взаимодействие с термоядерным топливом, образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов топлива несколько меньше, что облегчает их сближение и, кроме того, повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Число реакций синтеза X_c, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона. Экспериментально удалось получить значения X_c ~100, т. е. один мюон способен высвободить энергию ~ 100 × Х МэВ, где Х — энергетический выход катализируемой реакции.

Пока величина освобождаемой энергии меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии с использованием мюонного катализа возможно при X_c ~ 104.

Термоядерное оружие

Рис. 2. Водородная бомба

Избранное

См. также

Физтех — Международному термоядерному реактору

Михаил Петров, Валерий Афанасьев, Евгений Мухин, Александр Шевелев • Библиотека • «Природа» №9, 2018

Третий путь атомной энергетики

Роман Фишман • Библиотека • «Популярная механика» №9, 2019

О настоящем и будущем термоядерной энергетики

Александр Бурдаков • Библиотека • «Наука из первых рук» №5–6(76), 2017

Неукротимая плазма ITER

Татьяна Пичугина • Библиотека • «Троицкий вариант» №19, 2016

В ИЯФ готовят «конфетку» СМОЛА

Антон Судников • Библиотека • «Наука из первых рук» №5–6(76), 2017

На пути к термоядерной энергетике

17.05.2009 • Кристофер Ллуэллин-Смит • Видеотека

Торий: спасет ли он планету от энергетического кризиса?

Дмитрий Мамонтов • Библиотека • «Популярная механика» №11, 2015

Энергетика будущего: управляемый термоядерный синтез

27.11.2008 • Игорь Семенов • Видеотека

«Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза

17.02.2014 • Игорь Иванов • Новости науки

Звезды на земле: термояд

Игорь Егоров • Библиотека • «Популярная механика» №5, 2012

Приключения термояда в пузырьке

Сергей Комаров • Библиотека • «Химия и жизнь» №4, 2015

Термоядерные реакции

На грани возможностей

Сложность конструкции порт-плага в том, что у датчиков внутри него должен быть обеспечен доступ к плазме, а у плазмы к датчику — нет. Port — ‘вход’, plug — ‘пробка’. То есть в сторону плазмы будет вход, а в сторону бункера пробка. Это как прикоснуться к огню и не обжечься, а точнее — измерить параметры горения плазмы, но не пропустить нейтронное излучение от нее к человеку.

Большая часть измерений предполагает обратную связь, то есть производится не только с целью контроля, но и для управления процессами горения. Например, можно следить за движением плазмы, чтобы с помощью магнитного поля не допустить ее прикосновения к стенкам вакуумной камеры, — из всех деталей реактора только вольфрамовый дивертор рассчитан на непосредственный кратковременный контакт с плазмой. Между тем, тепловые нагрузки на дивертор очень близки к предельным и даже превышают нагрузки на внутренние стенки жидкостного ракетного двигателя.

Дивертор — важнейшая часть вакуумной камеры, через которую из камеры постоянно с высокой скоростью уходит загрязненная заряженная плазма, которая очищается от примесей, нейтрализуется, охлаждается и возвращается обратно. Он покрыт сантиметровыми вольфрамовыми плиточками, внутри которых находятся трубки охлаждения. Масса одних только вольфрамовых плиток составляет 50 тонн. Причем конструкция выглядит так, что грань одной плитки должна лежать в тени предыдущей, чтобы не расплавиться. Несмотря на все использованные технические возможности для создания термоустойчивой конструкции, за весь срок службы ИТЭР дивертор будет полностью заменяться дважды, то есть каждые десять лет.

Награды и почётные звания