Термоядерный реактор

Различные типы керамики из карбида бора. Сканирующая электронная микроскопия.

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Шошин отметил, что железоводный способ защиты, используемый в реакторах деления, не подходит для проекта ИТЭР из-за строгих ограничений по весу всей конструкции. «Нам был нужен очень легкий материал, – пояснил он, – который эффективно захватывает как горячие нейтроны, рожденные в результате термоядерных реакций, так и медленные, рассеянные затем на элементах конструкций. Материалом, отвечающим всем требованиям, оказался бор. Точнее, одно из его самых легких соединений – карбид бора. Чтобы предложить использование керамики из карбида бора в проекте ИТЭР, мы провели элементный анализ, показавший, что материал не содержит запрещенных примесей, и доказали, что его можно использовать в вакууме».

Исследования керамики из карбида бора проводились в вакуумной лаборатории ИЯФ СО РАН. Научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат технических наук Алексей Семенов отметил, что материал, используемый для нейтронной защиты, будет находиться в вакууме, получение которого зависит не только от средств откачки, но также и от того, как газ выделяется веществом. «Чтобы показать, как керамика из карбида бора ведет себя в вакууме, – пояснил он, – мы проводили опыты по измерению коэффициента термического газоотделения для двух ее видов – горячепрессованной и свободноспеченной. Новизна экспериментов в том, что этот материал никто и никогда не использовал в вакуумных технологиях (только для создания бронежилетов). Вакуумные свойства керамики из карбида бора были малоизучены».

После проведения опытов с данным материалом ученые ИЯФ СО РАН предоставили отчет в головную организацию проекта ИТЭР, которая утвердила керамику из карбида бора как материал для нейтронной защиты.

«Будкеровский институт принимает участие во многих международных научных проектах, – прокомментировал руководитель диагностического департамента ИТЭР Майкл Уолш, – ИТЭР – не исключение. Перед специалистами из Новосибирска стояла задача – изучить материал, способный обеспечить эффективную радиационную защиту и снизить радиационный фон, при этом не утяжелив конструкцию токамака».

Керамика из карбида бора, отметил Майкл Уолш, будет использоваться в условиях высокого вакуума, поэтому для корректных результатов ученым нужно было решить сложную физическую задачу – измерить коэффициент термического газоотделения карбида бора. «С ней наши коллеги блестяще справились, – прокомментировал он, –Следующая задача – разработать технологию производства керамики из карбида бора для ИТЭР, которая позволит нарабатывать материал в больших объемах по разумной стоимости. Для ИТЭР ключевыми характеристиками при выборе материала были малый вес и способность эффективно поглощать нейтроны. Но керамика из карбида бора может использоваться и в других областях – например, в ядерной промышленности как поглотитель нейтронов, в аэрокосмической отрасли, которой необходимы новые композитные материалы с металлической матрицей, на производствах, где требуются сверхпрочные конструкции».

Источник

Сила, действующая на заряженную частицу, перпендикулярна направлению магнитного поля и направлению движения частицы. Там, где поле усиливается, силовые линии сближаются, поэтому перпендикуляр к ним слегка наклонён в сторону более слабого поля. То есть, приближение к области сильного поля тормозит частицу. Торможение тем сильнее, чем выше компонента скорости, направленная поперёк магнитного поля.

В итоге области сильного поля отражает частицы с достаточно высокой поперечной и достаточно низкой продольной скоростью. Частицы, летящие под небольшим углом к магнитному полю, вылетают наружу и теряются.

Схема проста, как бабушкин топор, в предельном случае требует двух круглых катушек с током.

После столкновений частицы летят в среднем куда придётся; в том числе и вдоль силовых линий. Чтобы рассеяние случалось пореже, и частиц терялось поменьше, исходно предлагалось удерживать достаточно редкую плазму.

Такая (и только такая!) конфигурация называется пробкотроном (или простым пробкотроном, или пробкотроном Будкера-Поста по фамилиям тех, кто её исходно предложил); области сильного магнитного поля — пробками; соотношение самого слабого и самого сильного магнитного поля — пробочным отношением; область в пространстве скоростей, в которой частицы не удерживаются — конусом потерь.

Идея пробкотрона родом из 50-х годов, и тогда же в первый раз была проверена (прим.: работает). Найти в доступных источниках фотографию первой советской установки, на которой была показана работоспособность пробкотрона (ловушки Родионова, [5]), не получается. Поэтому пусть здесь будут фотографии установок ОГРА (1959 год, Институт атомной энергии, сегодня — Курчатовский) и Ц-1 (1963 год, Институт ядерной физики, сегодня — имени Будкера).

NB: примерно в это же время эксперименты с пробкотроном провернули в Ливерморской лаборатории. Фотография есть тут. Авторы друг о друге не знали, об этом есть замечательная приписка от редакции в конце статьи:

Как нам стало известно, аналогичные эксперименты проводились Гибсоном и Лауэром. Подробности работы не опубликованы.

В простом пробкотроне, впрочем, был обнаружен ряд проблем. Во-первых, хорошо удерживаются в нём одиночные частицы. Плазма из большого числа частиц ведёт себя в нём подобно леммингам из легенд о леммингах: перестаёт быть круглой в сечении, выбрасывается на стенку и погибает. Эту проблему потребовала небольшого усложнения в духе подобной конфигурации (на рисунке катушки с геометрией «инь-ян»). Плазма не будет искривляться, если она заранее искривлена нужным образом:

Вторая проблема: пустой конус потерь вызывает в плазме раскачку волн, которые рассеивают частицы и помогают им потеряться.

А самое неприятное — нельзя одновременно потребовать, чтобы частицы сталкивались достаточно редко (и не рассеивались) и достаточно часто (для термоядерной реакции). Даже в идеальном простом пробкотроне мощность термоядерной реакции оказывается всего вдвое больше, чем требуемая мощность нагрева. Кроме того, стабильные геометрии (инь-ян и ему подобные) приводили к повышенным поперечным потерям.

Все эти проблемы накопились как раз к тому моменту, когда на токамаках показали температуру 1 кэВ (10 млн градусов).

Рисунок исторический: британские учёные по приглашению (тогда ещё не академика, а член-корреспондента) Б. Б. Кадомцева едут в Москву измерять электронную температуру плазмы в токамаке Т-3 [6]:

Модными стали токамаки. Кто-то забросил открытоловушечную деятельность, кто-то остался придумывать, как поправить эти проблемы.

Базовые методы улучшенного удержания были придуманы в 70-х и проверены в районе 80-х. Они проиллюстрированы на следующем рисунке [7] (да простят меня модераторы):

Что забавно, на этой картинке уже забыт один из методов. Суть его в том, чтобы раскрутить плазменный шнур до скоростей выше тепловой скорости частиц и скорости распространения возмущений магнитного поля. В этом случае центробежная «сила» не даёт плазме ни потерять круглую форму (возмущение растёт медленнее, чем замазывается вращением), ни уйти к пробкам (радиус плазменного шнура в них меньше!).

На фотографии — установка ПСП-2, на которой более или менее было показано центробежное удержание.

Следующий вариант был чертовски изящен. Электроны легче ионов, и поэтому из плазмы теряются быстрее. Любая плазма, если с ней ничего специально не делают, заряжается положительно; и потенциал (называемый амбиполярным) тем выше, чем горячее электроны. Можно построить одну длинную линейную ловушку, с каждой стороны к ней пристыковать по маленькому пробкотрону, а электроны в концевых пробкотронах перегреть. Концевые секции зарядятся положительно, ионы не смогут в них залететь, а значит, и не потеряются.

Образно говоря, по краям плазмы бульдозером нагребаются две больших кучи снега, через которые ничего потеряться не может. Чем больше соотношение длин центральной секции и концевых пробкотронов, тем сильнее нам наплевать на потери перегретых электронов из них.

В качестве примера — кажется, первая амбиполярная ловушка Gamma-6 (г. Цукуба, Япония):

Единственная проблема амбиполярных ловушек — феерическая невезучесть. Нагляднее всего будет пример установки MFTF-B, которая была построена (330 миллионов долларов в ценах 80-х годов, на минуточку), сдана и на следующий день по политическим мотивам закрыта. На установке произведено 0 (ноль) экспериментальных выстрелов, что даёт абсолютный рекорд удельной стоимости секунды эксперимента.

На этом фоне установка АМБАЛ (не достроена до конца и не доведена до ума из-за 90-х) требует упоминания исключительно за стильность названия.

Следующий метод — многопробочное удержание. В нём в цепочку выстраивается не три пробкотрона, а столько, сколько влезет в зал. Внутрь запускается плазма такой плотности, чтобы ион рассеивался на расстоянии, примерно равном расстоянию между соседними пробками. Частица, вылетающая из области удержания, может захватиться отдельным пробкотроном, поболтаться от пробки к пробке и снова рассеяться в произвольном направлении. Тем, кому приходилось учить мат.статистику, эта задача известна как задача о пьяном матросе: время, которое матросу частице потребуется на путь от начала ловушки до её конца, квадратично растёт с ростом длины. Делаем ловушку в десять раз длиннее, а удержание улучшается в сто раз.

На иллюстрации синей и зелёной линиями в пэйнте показаны траектории частиц [9].

Эксперименты показали, что дела обстоят даже лучше, чем в исходной идее. Любая возникающая в плазме волна рассеивает частицы. Только теперь это приводит не к увеличенным потерям, как в простых пробкотронах, стеллараторах или токамаках, а к улучшению удержания: длина свободного пробега частиц за счёт рассеяния автоматически подгоняется к расстоянию между пробками, и метод работает даже при таких плотностях, при которых он этого делать не должен.

Для иллюстрации первые гофрированные (многопробочные) ловушки ЩЕГОЛ и ГОЛ-1.

Занятный факт, который ещё всплывёт к концу поста: одновременно с многопробочным удержанием было предложено двигать пробки, чтобы тащить захваченные частицы обратно к области удержания. Это выглядит как эскалатор, который едет навстречу потоку людей: наружу выйдут только самые везучие и подготовленные. Об этом был написан один абзац ровно. Видимо, после этого авторы посчитали, сколько мощности надо для создания бегущих пробок, получили что-то в духе 20 или 100 ГВт и задвинули идею куда подальше.

Пруф:

Последний из старых методов улучшенного удержания в линейных ловушках — газодинамический. Если в классический пробкотрон набить побольше частиц, чтобы они сталкивались раньше, чем долетают до пробки, то попадание в конус потерь не будет означать, собственно, потерь. Ситуацию можно сравнить со станцией метро в час пик: человек в центре станции, может, и хочет выйти наружу, но ему бы ещё до эскалатора добраться. Если длина перрона — километр, то он плюнет и поедет обратно на работу.

В такой плазме может жить без неустойчивостей популяция быстрых ионов с энергиями около 10 кэВ, которые и будут вступать в термоядерную реакцию с ионами плазмы. Время удержания линейно растёт с ростом пробочного отношения.

Пока что в мире построена одна ловушка газодинамического типа (называется, собственно, газодинамической ловушкой, сокращённо ГДЛ). На фотографиях — её вид в 1988 и 2018 году. Кое-что добавилось.

ГДЛ показала более хорошее удержание, чем закладывалось в её проект. Этот путь был долгим. Первой проблемой была устойчивость, уже упомянутая в абзаце о леммингах.

Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 100 электронвольт из-за проблем с МГД-устойчивостью и продольной теплопроводностью.

С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, где-то в начале 90-х.

.

Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 300 электронвольт из-за проблем с МГД-устойчивостью и продольной теплопроводностью.

С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, где-то в конце 90-х.

По очереди было найдено несколько методов стабилизации. Самый качественный из них напомнит читателю об экспериментах с вращающейся плазмой: если внешний слой плазмы вращается быстрее внутренних, любой всплывающий плазменный пузырь будет размазан в симметричную относительно оси трубу. Труба уже никуда не денется.

Метод был назван вихревым удержанием. 400 эВ на ГДЛ были получены лет десять назад.

Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 1 килоэлектронвольта из-за проблем с продольной теплопроводностью.

С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, 2010 и некоторые другие годы.

Другой проблемой было то, что плазма вдоль силовых линий очень хорошо проводит тепло. Сложно греть штуку с теплопроводностью меди, которая двумя концами упирается в холодную массивную железку. На установках линейки ГОЛ проблема решалась возбуждением сильно турбулентнах колебаний электронов вокруг ионов. Аналогия — пожар в сумасшедшем доме: пока доктор электрон выйдет наружу и вынесет энергию, он столько раз столкнётся с бегающими куда попало людьми электромагнитными полями, что этот факт будет уже не важен. Пожарный холодный электрон же внутрь попасть не сможет — всё занято. Была мысль сделать так же на ГДЛ, и этот эксперимент когда-нибудь будет сделан, но всё оказалось гораздо проще.

Теплопроводность пропадает в той точке, где поле уменьшается в ~40 раз (если быть точнее, в корень из соотношения масс иона и электрона). Температура расширяющегося в пустоту потока плазмы падает. Амбиполярный потенциал становится меньше (вспоминаем перегретые электроны в АМБАЛе), и это создаёт потенциальный барьер для электронов. Возникают те же снеговые кучи, через которые никто никакую энергию не переносит.

Должная степень расширения и сравнительно маломощный СВЧ-нагрев позволили в 2016 году получить на ГДЛ 1 кэВ.

К этому моменту уже было предложено собрать все фишки газодинамического и многопробочного удержания, добавить к центру ГДЛьного типа гофрированные секции и тем самым повысить качество удержания раз в 10. Если DT-реактор на основе обычного ГДЛ должен быть длиной 1–3 км, то ГДЛ+многопробки — уже разумные 100–300 м. Схема такой ловушки идёт в прошлом посте десятым рисунком. Чтобы не приходилось листать, продублирую:

Помимо того, было предложено ещё два метода: винтовое и диамагнитное удержание.

Винтовое напоминает, с одной стороны, идею с движущимися пробками из 70-х. С другой — мясорубку.

Многопробочное поле стоит на месте, но пробки смещены по винту. Плазма, вращаясь, вкручивается в этот винт и движется туда, куда нужно. Из её системы отсчёта кажется, что движутся сами пробки, нам остаётся только крутить.

Суть диамагнитного в том, чтобы надуть пузырь из плазмы. Для этого нужно, чтобы её давление приблизилось к давлению магнитного поля. Поле будет почти полностью вытеснено из пузыря, минимальное поле уменьшится, максимальное останется тем же — то есть, пробочное отношение вырастет. А с ним и время удержания [10].

Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек, поскольку они не имеют преимуществ перед токамаками.

С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, 2018 год.

Всё это вместе даёт шанс уложить DD-реактор в сотню-другую метров.

Собирая вместе все аналогии, получается следующее:

Длинная станция метро в час пик, заполненная пьяными пассажирами. Все эскалаторы едут сверху вниз. На выходе с эскалаторов работают бульдозеры. Никто никуда не уходит.

Токамак для DD-реакции имеет схожие размеры: диаметр «бублика» для него должен быть примерно 60-метровым. И тут есть нюанс.

Линейная ловушка длиной 100 метров собирается из отдельных «бочек», выстроенных в ряд. Самая большая из них по сегодняшним представлениям должна иметь диаметр 4–5 метров вместе с криостатом и длину, допустим, метров десять или пятнадцать.

Это можно перевезти по железной дороге.

Отдельные катушки токамака уже сегодня нельзя перевезти разумным транспортом, нужно строить рядом с будущим токамаком цех и наматывать их там [11]:

Примерно поэтому мы и утверждаем, что DD-реактор нужно делать линейным.

В следующей серии: как собрать свою маленькую плазменную установку (шесть метров длиной, три тонны массой), если есть достаточно нервов и большой грант РНФ.

Источники иллюстраций:

[1] Пусть будет https://www.litres.ru/igor-kotelnikov/lekcii-po-fizike-plazm...

[2] https://doi.org/10.3367/UFNr.2016.09.037967

[3] http://vant.iterru.ru/vant_2018_2/3.pdf

[4] http://www.inp.nsk.su/images/pdf/books/50-Years-of-BINP-book...

[5] http://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t6-6_1959/g...

[6] https://www.bl.uk/voices-of-science/interviewees/michael-for...

[7] Сборник к 30-летнему юбилею ИЯФ

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Mirror_Fusion_Test_Facility

[9] https://ufn.ru/ru/articles/2018/6/c/

[10] https://doi.org/10.1007/s10894-018-0174-1

[11] https://www.iter.org/construction/SiteFabricationPFcoils

Наиболее корректным, впрочем, будет сказать, что никто толком не знает, чем закрывать эту дырку после 2060 года. Чем больше способов выработки энергии будет проверено, тем больше шансов, что какой-нибудь из них сработает и позволит закрыть недостачу, сравнимую с половиной всей сегодняшней генерации.

Теперь о том, почему и как это работает.

Протоны и нейтроны в ядре «склеены» сильным взаимодействием. Разницу между энергиями покоя отдельных протонов и нейтронов и собранного из них атомного ядра мы можем забрать себе. Насколько она велика, показано на рисунке 2. Здесь можно обратить внимание на две вещи:

— все хотят стать никелем;

— делать 4He выгодно для получения энергии, он лежит намного выше всех своих соседей.

Топливо для термоядерных реакций можно найти вблизи от гелия. На следующем рисунке перечислены термоядерные реакции, наиболее полезные в жизни котика обычного человека. Большая часть из них — термоядерные реакции в звёздах. Ещё несколько (с 6Li) были использованы, чтобы показать возможность термоядерного синтеза на земле (рисунок 3, [2]).

В то же время, ядра заряжены положительно и поэтому отталкиваются электростатически. Это можно представить себе как горку, которую надо преодолеть (или сквозь которую нужно туннелировать), чтобы упасть в яму и в ней выделить энергию [3].

То есть, вещество нужно нагреть, чтобы ядра двигались быстро и могли вступить в реакцию. Для наиболее простой реакции D+T эта температура составляет 10 кэВ (а лучше 30). В человеческих единицах  это чуть больше 100 миллионов градусов; любое вещество при этом будет полностью ионизированной плазмой.

D+T топливо легче всего зажигать, но 80% энергии термоядерной реакции уносится нейтронами, которые греют, активируют и разрушают конструкцию реактора и не греют плазму. Кроме того, тритий — на редкость неприятное в плане безопасности использования вещество.

Реакция D+D оставляет больше энергии в плазме и не требует опасных материалов, но безнейтронной не является. У неё есть два почти равновероятных канала:

D+D→n+3He (есть нейтрон!)

D+D→p+T, при этом тритий сразу же вступает в реакцию D+T→4He+n (есть второй нейтрон!)

С топливом D+3He почти можно избавиться от нейтронов. Почти — потому что дейтерий будет реагировать не только с гелием, но и с другим дейтерием. С нейтронным выходом из прошлого абзаца. От нейтронов спасёт только топливная смесь, в которой бо́льшая часть — гелий, к которому добавлена малая примесь дейтерия.

Тем самым, у нас есть две задачи: нагреть и удержать.

Можно попробовать сжать вещество до таких концентраций, чтобы необходимое время удержания было мало и плазма просто не успевала никуда разлететься. Подобный способ называется инерционным удержанием. В целом, термоядерная бомба работает именно так. В приложении к управляемому синтезу нагрев и сжатие осуществляется за счёт облучения полусантиметровой мишени 192 эпически мощными лазерами [4]. Основная проблема при использовании этого метода для энергетики в том, что стрелять по мишеням нужно 100 раз в секунду с выделением нескольких МДж, а можно только дважды в день и несколько десятков кДж. Военные о таких мелочах не беспокоятся и просто моделируют на установках инерциального синтеза бомбы.

Другой вариант — поместить плазму в магнитное поле. Плазма не может вытечь поперёк магнитных силовых линий слишком быстро. Если же магнитное поле замкнуть в «бублик», то и вдоль силовых линий она никуда не улетит. Получится тороидальная магнитная ловушка.

Впрочем, просто поставить несколько катушек кольцом мы не сможем. Величина магнитного поля возле «дырки от бублика» в этом случае выше, чем на его внешнем краю. Плазма (будучи диамагнетиком) из магнитного поля выталкивается, поэтому для равновесия частицы должны часть времени проводить возле «дырки», а часть — снаружи. То есть, силовые линии должны «навиваться на бублик» (чёрные стрелки на левом рисунке, зелёная линия на правом). Сделать это можно или разогнав по плазменному шнуру ток (токамаки), или сделав внешние катушки упоротой тщательно оптимизированной геометрии (стеллараторы).

Строящийся сейчас во Франции ITER является именно токамаком. Стоит как авианосец, для постройки потребовал создания отдельных отраслей промышленности в отдельных странах. В целом, токамаки на сегодняшний день сильнее всех продвинулись в сторону термоядерной энергии.

Самым крупным на сегодня стелларатором является Wendelstein-7X. О нём был подробный пост [6], поэтому приведу только картинку.

Есть другая возможность — создать магнитное поле, симметричное относительно прямой или  почти прямой оси. Получится открытая (или линейная) магнитная ловушка. Плазма будет вылетать из двух концов, но эти потоки можно тем или иным способом подавить (об этом я могу написать пост не меньших размеров, поэтому пока не буду вдаваться в подробности). До недавнего времени существовало более-менее обоснованное мнение, что с их помощью нельзя получить температур выше нескольких сот эВ (нескольких миллионов градусов). Не так давно, впрочем, было показано, что можно получить и больше. Плюсы такой концепции — в большей технологичности и лучшей масштабируемости (в первую очередь, в область топлив без трития).

Теперь про энергобаланс. Наиболее мощным каналом потери энергии из горячей плазмы является тормозное излучение (горячие электроны, пролетающие мимо ядер, ярко светятся в рентгеновском диапазоне). На следующей картинке показана мощность разных термоядерных реакций в одном кубометре горячей равновесной плазмы с концентрацией 10^20 м^-3. Фиолетовой прямой (угол не в счёт) показан уровень потерь на тормозное излучение. Энергию можно вырабатывать там, где чёрная кривая выше фиолетовой прямой.

Тут можно посмотреть на основные термоядерный топлива и p11B. Последний лежит близко к уровню потерь, что заставляет выдумывать хитрые конфигурации с неравновесной плазмой вплоть до использования топлива, поляризованного по ядерному спину, включительно.

Чтобы не множить сущностей, возьму уже посчитанные другими людьми для ИТЭРа цифры. Расклад по энергиям получается таким:

В плазму вкладывается 73 МВт от внешних источников. Из них 33 МВт — пучки быстрых нейтральных атомов, 20 МВт — СВЧ-волна на частоте вращения электронов (170 ГГц), 20 МВт — ВЧ-волна на частоте вращения ионов (40–50 МГц).

В термоядерной реакции выделяется ~500 МВт, из них 400 МВт получают нейтроны, а 100 МВт остаётся в альфа-частицах и нагревает плазму.

Теперь потери.

400 МВт мощности, переносимой нейтронами, тут же уходят из плазмы и нагревают воду в каналах охлаждения.

Тормозное излучение уносит около 120 МВт.

Небольшая часть энергии (от нескольких единиц до нескольких десятков МВт — в зависимости от того, насколько устойчивой получилась плазма) уходит с быстрыми ионами, плохо удерживаемыми плазмой, и нагревают пластины первой стенки.

Остальные 100–150 МВт уносятся плазмой, вытекающей из области удержания, и нагревают специально предназначенные для этого пластины дивертора в нижней части камеры (см. рисунок — словом plasma там обозначена область удержания, вытекающий из неё поток идёт вдоль силовых линий, нарисованных чёрным, на оранжевые приёмные пластины).

С пользой можно использовать либо нейтроны (только как кипятильник), либо поток плазмы, вытекающий из области удержания в дивертор (или кипятильник, или, теоретически, МГД-генератор. Впрочем, схем МГД-генератора для токамаков я не видел).

И последний вопрос: когда?

Я на него всегда отвечаю: «Когда потребуется». Скажем, китайская термоядерная программа предполагает запуск демонстрационного энергетического реактора в 30-х годах (да, они хотят начать строить его до того, как будут получены внятные результаты ИТЭРа). В принципе, если не будет ограничений в ресурсах, они могут справиться.

Всех остальных припрёт в 50-х.

Ps. Надеюсь, пост получился информативным, но не переусложнённым. В принципе, обо всём этом можно рассказать и проще (но без деталей), и сложнее (там столько всего интересного!)

Источники иллюстраций:

[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S235285401...

[2] https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B0%D1%80%D1%8C-%D0%B... , https://pikabu.ru/story/kuzkina_mat_sssr_istoriya_sozdaniya_...

[3] https://pikabu.ru/story/gorochka_5957504

[4] https://lasers.llnl.gov/science/icf

[5] https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/Machine/Attac... tkm_cplx_final_plasma2013-07.jpg

[6] https://habr.com/post/399993/

[7] http://iopscience.iop.org/issue/0029-5515/47/6

Магнитное поле - одно из фундаментальных физических явлений, и его рекордная напряжённость поможет глубже понять природу вещества.

Фото Global Look Press.

Учёные создали самое мощное магнитное поле, которое только удавалось сгенерировать в лаборатории. Достижение может проложить дорогу к новым открытиям в физике вещества и дешёвой термоядерной энергии. Результат описан в научной статье, опубликованной в журнале Review of Scientific Instruments группой во главе с Сигэхару Такаямой (Shigeharu Takayama) из Токийского университета.

Магнитная индукция достигла фантастической отметки в 1200 тесла. Для сравнения: это в 400 раз сильнее магнитного поля аппаратов МРТ и в 50 миллионов раз – магнитного поля Земли. Таким образом, установлен новый рекорд напряжённости магнитного поля в стенах лаборатории. Человечество умеет генерировать и более впечатляющие поля, до 2800 тесла, но только в опытах со взрывчатыми веществами, когда установка фактически разрушается в момент эксперимента.

Для чего это нужно? Ведь учёные – не спортсмены, и рекорды для них не самоцель.

Во-первых, чрезвычайно мощные магнитные поля меняют свойства вещества. Некоторые из привычных физических законов фактически перестают работать. Это уникальная возможность глубже исследовать устройство полупроводников, сверхпроводников и других материалов, которые пригодятся в электронике будущего. Получение экзотических квантовых состояний, связанных с экстремальным магнитным полем, представляет и чисто исследовательский интерес.

Наконец, мощные магниты необходимы, чтобы реализовать давнюю мечту человечества – термоядерные электростанции. Если удастся построить промышленный термоядерный реактор, энергетические проблемы человечества будут решены навсегда. Один литр обычной воды даст столько же энергии, сколько триста литров бензина, и это без всяких радиоактивных отходов, требующих сложной утилизации.

По оценкам экспертов, в таком реакторе требуются магнитные поля с индукцией не менее тысячи тесла. В работе Такаямы и коллег эта планка взята. Правда, такое мощное поле удалось создать лишь на короткое время.

Как учёным это удалось? Им помог закон сохранения магнитного потока. Поясним, что это такое.

Возьмём замкнутый контур, сопротивление которого так мало, что им можно пренебречь. Пустим по нему электрический ток. Последний создаст магнитное поле. Как утверждает теория и подтверждают эксперименты, при любых деформациях контура сохраняется пронизывающий его магнитный поток. Он пропорционален величине поля и площади, охваченной контуром.

Создадим умеренное магнитное поле с помощью тока в контуре, а затем сильно сожмём последний. Поскольку площадь уменьшилась, а магнитный поток остался прежним, должна вырасти величина поля. Вот так и генерируются сверхмощные магнитные поля.

Самый эффективный способ сжать контур – обрушить на него взрывную волну, подорвав, к примеру, заряд тротила. Так и достигнут абсолютный рекорд величины поля в 2800 тесла.

Но взрывная волна – не лучший сосед как для хрупких приборов, так и для не менее хрупких живых физиков. А ведь и первые, и вторые нужны, чтобы, к примеру, исследовать новые состояния вещества, достигаемые в экстремальных магнитных полях. Поэтому авторы пошли по другому пути. В их работе контур сжимался электромагнитными силами с использованием батареи суперконденсаторов.

Важно, что сверхсильное поле удалось создать в объёме, превышающем кубический сантиметр. Этого вполне достаточно для экспериментов над веществом. Конечно, для строительства термоядерных реакторов нужно искать другие технологии. Кроме того, величина поля является далеко не единственным препятствием к созданию "искусственного солнца".

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о предыдущем рекорде для "лабораторного" магнитного поля, а также о рекорде высокотемпературной сверхпроводимости и рекорде температуры.

Источник:

https://www.vesti.ru/doc.html?id=3061839

Собственно, древнейший термоядерный реактор в Солнечной системе

Мечта сотворить звезду на Земле преследует человечество с давних времён. И это удалось - 1 ноября 1952 года был взорван Ivy Mike - первое термоядерное устройство.

Ivн Mike, ещё целый

И уже не очень

Звезда наконец зажглась на Земле, практически мгновенно переработала всё имеющееся топливо и погасла. Однако как-либо управлять этим процессом было невозможно, а значит и практической, с точки зрения энергетики, ценности такая "звезда" не имеет. Даже сейчас, в век технологий и невероятных изобретений, мы слишком мало знаем об основной составляющей звёзд - плазме. Плазма - ионизированный газ, он состоит из положительно заряженных частиц - ионов, и отрицательно заряженных - электронов. Её поведение практически не поддается расчёту, что и привело к тому, что мы до сих пор не построили действующий термоядерный реактор.

Для начала углубимся в историю. С начала времён Солнце имело мифологическую сущность. Древние люди считали Солнце богом (либо каким-то устройством, например колесницей Гелиоса).

Представления о Солнце у разных народов. Слева направа, сверху вниз: Египтяне (Ра), Греки и Римляне (Гелиос и Сол, Солнце - колесница), индуисты (Шива), праиндоевропейцы (солнечная повозка)

Одним из первых, кто усомнился в правдивости мифологического взгляда на сущность звезды был греческий философ Анаксагор в V веке до нашей эры. Он представлял Солнце огромным раскалённым шаром. За это его приговорили к смерти, которую он избежал лишь после вмешательства Перикла. В начале XIX века, после изобретения спектрометрии, было обнаружено, что Солнце состоит преимущественно из двух элементов - водорода и ещё одного неизвестного элемента, названного в честь бога Солнца Гелиоса гелием. Появилась теория, что солнце нагревается из-за постоянной бомбардировки метеоритами. Но при необходимой интенсивности бомбардировок горела бы в том числе и Земля, да и масса Солнца должна была неуклонно расти, что сказалось бы и на движении планет, поэтому эта теория была отброшена. Следующей была теория, созданная и развитая Гельмгольцем и лордом Кельвином - теория гравитационного сжатия. Согласно этой теории, Солнце должно существовать не более чем 20 миллионов лет. Однако это не согласовывалось с возрастом Земли, уже тогда его оценивали более чем в 300 миллионов лет. Резерфорд предположил, что Солнце нагревается из-за происходящих внутри реакция радиоактивного распада. Наконец, в 1920 году Артур Эдингтон предположил, что на Солнце (а точнее внутри) происходят реакции слияния протонов с образованием гелия. Дальнейшие исследования подтвердили эту теорию.

Так что же происходит внутри звёзд? Как было сказано выше, вещество на Солнце находится в состоянии плазмы. При слиянии двух протонов (ядер водорода) образуется ядро дейтерия (то есть ядро водорода, состоящее из одного протона и одного нейтрона), позитрон и нейтрино. Ядро дейтерия может снова слиться с протоном, образуя ядро гелия-3 и фотон. При слиянии двух ядер гелия-3 образуется более привычный нам гелий-4 (или просто гелий, тот, который закачивают в воздушные шарики и позволяет говорить смешным голосом) и два протона.

Схематичное изображение реакции

Однако масса изначальных шести протонов больше массы получившихся частиц. Куда же делась эта масса? Здесь следует вспомнить общеизвестную формулу старика Эйнштейна:

Изменение массы перешло в энергию. Всего выделилось около 18 мегаэлектронвольт энергии. Много это, или мало? Чтобы вскипятить литр воды от комнатной температуры до кипения нужно около 2 квинтиллиона (число с восемнадцатью нулями) мегаэлектронвольт. Казалось бы - ничтожно мало - в 100 квадриллионов (число с 15 нулями) раз меньше чем нужно! Однако на Солнце каждую секунду происходит примерно 50 ундециллионов (здесь уже 36 нулей!) таких реакций. Более чем достаточно. На Солнце происходят и другие реакции, мы их рассматривать не будем.

Как повторить это на Земле? Как мы можем видеть, для реакции, подобной солнечной, необходим водород. С этим в общем-то нет никаких проблем, каждый школьник видел получение водорода на уроках химии. С другой стороны, первый этап данной реакции - получение дейтерия - крайне маловероятен. Для масштабов Солнца это не является проблемой, но для маленьких земных реакторов это практически непреодолимая проблема. Здесь нам на помощь приходит тяжёлая вода. Тяжёлая вода - молекула воды, в которой один (для полутяжёлой воды) или оба (для, собственно, тяжёлой воды) атома водорода-1 (обычного водорода, или как его ещё называют, протия) заменяются на атомы водорода-2 (дейтерия). Концентрация тяжёлой воды довольно велика - примерно на 3200 молекул обычной воды приходится 1 молекула тяжёлой. Выделить её не составляет труда, сейчас тяжёлая вода добывается в промышленных масштабах (в основном в Канаде, их ядерные реакторы используют тяжёлую, а не обычную воду в качестве замедлителя). Однако второй этап реакции - слияние дейтерия и протона - также маловероятный процесс. Можно, конечно, сразу перейти к последнему, самому энергетически выгодному этапу - слиянию двух атомов гелия-3, однако на Земле его нет. Зато он в избытке имеется на Луне, куда он прилетает с Солнца, что и является не последней причиной возрастания в последнее время интереса к нашему естественному спутнику. Но это будущее, а хотелось бы получить термоядерную энергию сейчас. Здесь нам приходит на помощь дейтерий-тритиевая реакция - слияние ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия-4 и нейтрона.

Тритий - ещё один изотоп водорода, состоит из одного протона и двух нейтронов, а не одного, как в дейтерии. Трития практически нет на Земле, однако его можно получить, облучив потоком нейтронов литий. Лития на нашей планете довольно много, да и одним из продуктов дейтерий-тритиевой реакции является нейтрон - реактор может производить для себя топливо! Сейчас это наиболее перспективный вариант, именно так энергию будет вырабатывать ITER.

А теперь о грустном. В начале поста я соврал, что нам не удалось управлять этой реакцией. Удалось, и довольно давно - после постройки первого токамака - в 1954 году. Однако энергия, необходимая для поддержания реакции значительно превосходила энергию, которая выделялась при реакции. Ни один ныне существующий реактор до сих пор не преодолел это ограничение. Ещё одной проблемой является сама реакция. Если мы соберём водород в каком-то сосуде и будем долго ждать, реакция не начнётся никогда. Даже если мы нагреем его до температуры, необходимой для полной ионизации (то есть чтобы разделить все нейтральные атомы водорода на протоны и электроны), а это несколько тысяч градусов, реакция всё равно не начнется. Этому мешают два обстоятельства - кулоновский барьер и сечение взаимодействия. Из школьной физики известно, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Протоны имеют положительный заряд, поэтому нужно приложить силу, чтобы преодолеть это отталкивание, называемое кулоновским барьером и войти в зону действия сил, связывающих воедино протоны и нейтроны в ядре. Здесь нам понадобятся ещё четыре формулы из школьной физики для кинетической энергии а также формулы для кулоновской силы и второй закон Ньютона:

Две формулы для кинетической энергии, закон Кулона, второй закон Ньютона

Если приравнять первые две формулы, можно узнать, что температура есть ничто иное, как характеристика скорости! То есть увеличивая температуру, мы увеличиваем скорость частиц. А вот теперь задачка - какой должна быть температура, чтобы, используя второй закон Ньютона и закон Кулона, преодолеть кулоновский барьер?

Но могу сказать, что это очень большая температура. Порядка миллионов градусов. И здесь встаёт вторая проблема - сечение взаимодействия. Чтобы два протона слились нужно, чтобы они пролетели достаточно близко друг к другу, а они очень маленькие. На Солнце эта проблема решается просто и элегантно - огромная гравитация в ядре звезды сводит протоны близко друг к другу - давление в центре Солнца 250 миллиардов атмосфер. На Земле нет ничего, способное создать такое давление. Поэтому используется другой подход - увеличить скорость, чтобы поднять вероятность прохождения протонов достаточно близко друг к другу. А что нужно для этого сделать? Правильно - ещё поднять температуру! Например, температура плазмы в ITER будет достигать 50 миллионов градусов - в несколько раз больше, чем в центре Солнца.

А что же плазма? Как я уже писал, сегодня нет исчерпывающих теорий поведения плазмы. Особенно при температурах, описанных выше. Тут также возникает вопрос - как удержать вещество такой температуры? Вольфрам, самый тугоплавкий металл, плавится уже при 3400 градусах - далеко от заданных температур. Да и если вольфрам попадёт в плазму, он её "отравит", реакция прекратится. Поэтому единственный возможный способ - магнитная ловушка. Но традиционные медные электромагниты слишком громоздки и тратят слишком много энергии впустую - на нагрев. Единственный выход - сверхпроводники. Уже существуют сверхпроводники, способные работать при температуре жидкого азота - 80 К (кельвинов, шкала Кельвина соответствует традиционной шкале Цельсия, только ноль находится не в точке замерзания воды, а в абсолютном нуле - минус 273 градуса по Цельсию, таким образом, ноль по Цельсию это 273 К. Здесь и далее будет использоваться в основном шкала Кельвина). Однако сверхпроводимость имеет свойство разрушаться в сильных магнитных полях (ещё одна проблема). А мы ведь хотим удерживать много плазмы, чтобы получить много энергии. Существуют сверхпроводники, способные создавать сильные магнитные поля. Однако они работают при температуре жидкого гелия - 4К. А вот теперь представьте - магнит, охлажденный до температуры 4К соседствует с плазмой с температурой 50 миллионов К! Непростая задачка, не правда ли? У плазмы есть ещё одно свойство - она стремится "сбежать" из любой ловушки. Поэтому необходимо создать поле такой формы, чтобы плазма не смогла "сбежать" из такой ловушки. Поэтому и существует так много форм этого реактора - токамак, стелларатор, шар и другие. Первый является самым популярным. Типы реакторов - тема будущего поста, поэтому здесь мы не будем её касаться.

До сих пор ни один реактор не преодолел ещё одно ограничение - время удержания плазмы слишком мало. Даже на самых современных токамаках это время около ста секунд, зачем нужен реактор, способный за 100 секунд выделить огромное количество энергии, а потом стоять в бездействии? Это происходит из-за довольно быстрой переработки топлива реактором и накопления гелия. Чем крупнее реактор, тем дольше он сможет работать без выключения, если постоянно подавать в него дейтерий и тритий. Поэтому большинство перспективных реакторов - установки просто циклопического размера. Некоторые схемы лишены этого недостатка, но пока недостаточно изучены.

Пожалуй, с теорией закончили. Критика приветствуется. Также необходимо иметь в виду, что данный пост имеет исключительно ознакомительный характер, многие моменты упрощены или вовсе опущены. За ошибки и картинки прошу сильно не бить. Следующий пост будет про типы ловушек и реакторов.

Учёные США собираются построить реактор, работающий при помощи термоядерного синтеза — такого же процесса, который протекает в недрах звёзд. Проект в ближайшие 15 лет должны реализовать физики из Массачусетского технологического института совместно с сотрудниками компании Commonwealth Fusion Systems.

Как сообщает издание Popular Mechanics, экспериментальный проект называется Sparc, для него изготовлена тороидальная камера, которая при помощи магнитов из особых сплавов сможет удерживать сверхгорячую плазму. Spark должен будет генерировать 100 мегаватт тепловой энергии. Если эксперимент будет успешным, в планах у учёных — построить в два раза более мощный реактор.

Ранее Лайф рассказывал, что испанский дизайнер Оскар Вилан уже проектирует самолёты на термоядерном синтезе. Хотя сейчас на Земле не существует даже стационарного термоядерного реактора, не говоря уже о таких, которые можно разместить в воздушном судне. Первый международный термоядерный экспериментальный реактор ITER находится во Франции, и на данный момент он построен наполовину, его планируют запустить в 2025 году.

Источник:

https://life.ru/1097167