wrapper

Четверг, 27 мая 2021 00:00 Прочитано 392 раз

В ПОИСКАХ БЕСКОНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Нефть, уголь и газ — главные артефакты XX века, обеспечивающие человека энергией. Но их запасы ограничены, а влияние на природу не внушает оптимизма. Поэтому учёные всего мира ищут идеальный альтернативный источник — доступный и абсолютно безопасный.

По мнению физиков, его появление – лишь вопрос времени, ведь тайна Солнца почти раскрыта. Земное имя этой тайны — управляемый термоядерный синтез.

В основе явления термоядерного синтеза лежит принцип использования ядерных реакций слияния лёгких элементов с выделением энергии — так же, как это происходит на Солнце. Правда, температура в этом естественном реакторе достигает 15-20 млн °C, а на Земле учёным нужно достичь температуры в пять раз выше солнечной.

Самым подходящим топливом для получения энергии в промышленном масштабе считается дейтерий (D) и тритий (Т).

ДЕЙТЕРИЙ (D или 2H) — тяжёлый водород, стабильный изотоп водорода. Ядро состоит из протона и нейтрона. Дейтерий содержится в морской воде, так что о его запасах волноваться не приходится.

ТРИТИЙ (T или 3H) — сверхтяжёлый водород, радиоактивный изотоп водорода. Ядро состоит из протона и двух нейтронов. Тритий в чистом виде очень редко встречается на Земле, но его можно получить из лития.

Для успешной термоядерной реакции смесь дейтерия и трития должна быть нагрета до 100 млн градусов. При этом газовая смесь превращается в полностью ионизированную плазму, состоящую из положительно заряженных ядер и электронов. При высокой температуре ядра дейтерия и трития разгоняются так, что преодолевают силы кулоновского отталкивания.

Ядра дейтерия и трития сливаются воедино, образуя нейтрон и ядро гелия. При этом выделяется энергия (17,6 МэВ на одну реакцию) — цель всего процесса.

Перспективы применения термоядерного синтеза впечатляют: топливо – экологичное и доступное, а энергии от него, по расчетам физиков, будет гораздо больше, чем от привычных нам источников.

ПРИ СЖИГАНИИ ДЕЙТЕРИЯ, СОДЕРЖАЩЕГОСЯ В БУТЫЛКЕ ВОДЫ, ВЫДЕЛЯЕТСЯ СТОЛЬКО ЖЕ ЭНЕРГИИ, СКОЛЬКО ПРИ СЖИГАНИИ БОЧКИ БЕНЗИНА

К примеру: при сжигании дров (1 кг) выделяется энергия, равная 7 МДж/кг, угля - 34 МДж/кг, газа - 44 МДж/кг, нефти - 44 МДж/кг, при термоядерном синтезе - 170 000 000 МДж/кг.

Поиски способа управления термоядерными реакциями начались в середине прошлого века. Учёным нужно было не только нагреть смесь дейтерия с тритием до состояния плазмы, но и понять, как удерживать её с необходимой температурой и плотностью.

В 1950 году академики Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм, вдохновлённые идеей солдата-срочника Олега Лаврентьева, предложили использовать для удержания плазмы магнитное поле. Это событие определило будущее всего направления работы по «приручению» термоядерных реакций.

О практическом применении термоядерных реакций в «мирных целях» ученые задумались ещё в 1949 году, сразу после успешного испытания первой советской ядерной бомбы. Как писал в своих мемуарах А.Д. Сахаров, исследования поначалу велись «без каких-либо разумных конкретных идей», пока к академику И.Е. Тамму и его коллеге — будущему академику Сахарову не попало одно интересное письмо.

 

В докладной, перенаправленной Сахарову прямиком из ЦК ВКП(б), 24-летний сержант Олег Лаврентьев, служивший на Сахалине, предлагал свою схему термоядерного реактора. По его задумке, плазму можно было изолировать с помощью постоянного электростатического поля. Изучив записи Лаврентьева, Сахаров признал, что автор ставит «весьма важную и не являющуюся безнадёжной проблему». Предложенный метод не годился для практического применения, но именно тогда Сахаров понял, что сам принцип создания «ловушки» для плазмы – верный.

 

«Лаврентьев был абсолютным самородком, самоучкой, начальство его воинской части помогало ему с получением образования, выписывало нужную литературу по ядерной физике и поддержало в написании и отправке письма об этих исследованиях Сталину», — рассказывал впоследствии академик Евгений Велихов в интервью журналу «В мире науки».

После той истории Олег Лаврентьев в ускоренном темпе окончил МГУ и продолжил свои исследования в Харьковском физико-техническом институте.

 

А идея солдата-срочника стала основой для всех дальнейших разработок в области управляемого термоядерного синтеза. На Солнце удерживающую функцию выполняет гравитационное поле. А в лабораторных условиях, как выяснили Сахаров и Тамм, плазму следует удерживать магнитным полем, замкнутым внутри тороидальной обмотки. Вскоре ученые рассчитали необходимые параметры магнитных полей, при которых плазма не соприкасается со стенками камеры. На базе их вычислений была разработана первая программа создания тороидального магнитного термоядерного реактора, утвержденная Советом Министров СССР в 1951 году.

Через восемь лет, в 1958 году в Курчатовском институте была построена первая в мире экспериментальная термоядерная установка с «ловушкой» из магнитного поля, которая получила название «токамак» (тороидальная камера с магнитной катушкой).

СССР ПОДЕЛИЛСЯ СВОИМИ РАЗРАБОТКАМИ СО ВСЕМ МИРОМ

«Возгласами приветствий был встречен советский учёный-атомщик, который носит изумительную чёрную бороду длиною в 10 дюймов, спускающуюся вниз на грудь», – заметку с такими интригующими вводными передал на выпуск лондонский корреспондент агентства United Press 19 апреля 1956 года.

Курчатова в Англии ждали c интересом – насколько интересен мог быть визит главного физика-ядерщика Советского Союза в разгар «холодной войны». Но никто из репортёров и предположить не мог, какой фурор произведет его выступление в Британском ядерном центре в Харуэлле.

«Академики И.В. Курчатов (в центре) и А.Н. Туполев на борту крейсера «Орджоникидзе» отправляются в Великобританию в составе советской правительственной делегации, 1956 год.

Доклад советского академика был посвящён текущему состоянию атомной энергетики в СССР. Курчатов подробно рассказывал о советских реакторах разных типов, о ходе экспериментов, о последних открытиях физиков и их надеждах. По мере того, как росло удивление присутствующих, Игорь Курчатов раскрывал всё больше и больше научных данных, которые во всех в странах-участниках конференции было принято держать в тайне.

Когда дело дошло до термоядерных реакций, слушатели и вовсе замерли в замешательстве – на их глазах советский ученый добровольно делился с трудом добытыми сверхсекретными наработками.

Курчатов объяснил, как советские ученые экспериментировали с газообразным дейтерием, какая температура должна быть достигнута при термоядерной реакции и как действует способ магнитного удержания плазмы, а также сообщил, что советским учёным удалось довести температуру плазменного шнура до миллиона градусов – рекордной для того времени. Доклад советского учёного вызвал бешеную овацию и шквал вопросов, которые ранее могли быть задаваться только в секретных лабораториях.

«Доктор И. Курчатов, глава советской атомной промышленности …, вчера вызвал сенсацию в Харуэлле, указав, что СССР значительно опережает Великобританию – а возможно, и Америку – в борьбе за использование энергии водородной бомбы в промышленных целях. <…> Представители Харуэлла, чьи эксперименты всё ещё являются секретными, предполагали, что доктор Курчатов намерен «выкачивать» из них информацию. А вместо этого он рассказал им, что они должны делать», — написал журналист Daily Express в своей статье на следующий день.

Конечно, рассекретив открытия советских ученых, Курчатов действовал с разрешения партии. В Союзе первыми поняли, что такие масштабные, дорогие и сложные исследования – это задача не одной страны, а умов всего мира. Открытость и обмен опытом могли бы помочь делу двигаться быстрее. Кроме того, выступление в Харуэлле, по мнению американских источников, стало «поворотным пунктом» в переговорах по разоружению (но, к сожалению, не решающим, как выяснилось впоследствии).

Вернувшись на родину, Курчатов выступил на митинге, где поблагодарил правительство за «благородную инициативу» снять секретность с этих работ. Не в силах предположить, что гонка ядерного вооружения растянется ещё на долгие годы вперед, Курчатов писал:

«Наше правительство явилось инициатором по объединению усилий учёных всех стран в работах по мирному использованию термоядерных реакций <…>. Я рад, что глава правительства Соединенных Штатов Америки также призывает к объединению усилий учёных всего мира на решение этой величественной задачи. Было бы очень хорошо, если бы руководители государств на предстоящей встрече на самом высоком уровне приняли бы предложение СССР о запрещении использования атомного и водородного оружия. Это явилось бы большим стимулом для учёных всех стран мира работать только над мирным использованием могучих сил природы».

УСТАНОВКА ТОКАМАК

Токамак представляет собой камеру в виде бублика (тороида) с намотанными на неё катушками для создания магнитного поля – всё вместе обеспечивает условия для успешного термоядерного синтеза.

Из тороидальной камеры сначала откачивают атмосферный воздух, а потом заполняют её смесью дейтерия и трития. Глубокий вакуум нужен для «чистоты» плазмы, поскольку любые примеси прекращают реакцию.

С помощью индуктора в камере создается вихревое электрическое поле, которое приводит к образованию продольного тока и превращению газовой смеси в плазму. Изменяя ток в индукторе, можно управлять движением частиц в плазме.

Ток внутри плазмы создает свое магнитное поле – оно называется полоидальным. Дополнительно камера окружена сверхпроводящими магнитами, которые формируют тороидальное магнитное поле. Комбинация двух видов магнитных полей удерживает раскаленную плазму внутри камеры.

Для получения термоядерной энергии плазму нужно нагреть до 100 млн °C и удержать её в горячем состоянии как минимум одну секунду. Первичный нагрев (до 20–25 млн °C) осуществляет тот самый продольный ток в плазме. А остальная температура – дело устройств дополнительного нагрева, часть которых действует по принципу большой микроволновки.

Самая важная характеристика токамака — его безопасность. По словам учёных, управляемый термоядерный синтез физически не способен привести к трагическим последствиям. В отличие от реактора АЭС, в токамаке невозможен резкий подъем температуры (скорее, наоборот — её постоянно приходится увеличивать практически вручную). Газовая смесь превращается в плазму при определённых условиях: нет температуры — нет и реакции.

СВЕТЛОЕ БУДУЩЕЕ

На финише мирового научного «марафона» — идеальный термоядерный реактор, который призван обеспечить человечество чистой энергией на тысячи лет вперёд, не представляя опасности для людей и планеты. При всей успешности расчётов выгодная термоядерная реакция пока скорее лабораторная удача, а не закономерность.

ПОЧЕМУ ЖЕ ТОКАМАКИ ЕЩЁ НЕ ПРОИЗВОДЯТ ЭНЕРГИЮ В ПРОМЫШЛЕННЫХ МАСШТАБАХ?

Существуют нерешённые задачи. Так, индуктор, который создаёт в токамаке электрический ток, не может работать бесконечно, а значит, время «жизни» плазмы в магнитной ловушке ограничено. Задача учёных — «зациклить» этот процесс, сделать его бесконечным, чтобы в итоге плазма сама продолжала «подогревать» себя с помощью выделяемой энергии.

Ещё один нюанс — не до конца изученные свойства плазмы. Нагретая смесь дейтерия и трития может «показать характер» в любой момент, изменив тем самым ход реакции.

«Плазму изучают уже десятки лет, но она до сих пор остаётся непредсказуемой»

Мировой рекорд удержания плазмы – 102 секунды при температуре около 50 млн °C – зафиксирован на китайском токамаке EAST в феврале 2016 года.

Вместо магнита: как ещё удержать плазму?

Несмотря на то, что метод с использованием магнитного поля считается самым эффективным, учёные рассматривают и другие виды ядерного синтеза для получения энергии.

Один из них — это инерциальный (лазерный) термоядерный синтез. Его суть состоит в том, что нагретой плазме не даёт разлетаться инерция её частиц, обладающих массой. В течение нескольких наносекунд нагретая плазма может удерживаться таким образом, но для этого её плотность должна в 100 раз превосходить плотность твёрдого тела. По сути, этот способ является противоположностью «магнитному». Вместо очень разреженной, но долго удерживаемой магнитным полем плазмы создается очень плотная и короткоживущая. На практике дейтериево-тритиевые мишени размером около 1 мм нагревают мощными лазерными пучками. Главный недостаток такого метода — слабое поглощение лазерного излучения горячей плазмой: чем выше её температура, тем меньше она «замечает» лазерный луч, проходящий через неё, а значит, КПД лазера получается ниже требуемого. Некоторые учёные предлагают нагревать дейтерий и тритий не лазером, а рентгеном. Мишень окружают вольфрамовые проволоки, которые при сдавливании электрическим разрядом испаряются, создавая мощный рентгеновский импульс.

Ещё одна альтернатива «магнитной ловушке» — пучковый термоядерный (электронный, протонный, ионный) синтез. Его преимуществами является высокий КПД (особенно для электронных пучков), сильное взаимодействие с мишенью (для протонов и ионов), огромная концентрация энергии при сбросе на мишень тяжелых ионов, хорошо изученная методика разводки пучков. Но недостатки перевешивают: электростатическое отталкивание одноименно заряженных частиц, трудность фокусировки пучка, сложность одновременного сброса на мишень многих пучков. Пока пучковый термояд отстает и от магнитного, и от лазерного, но эксперименты продолжаются.

Третье альтернативное направление — так называемая взрывная дейтериевая энергетика. С 1990-х годов в Российском федеральном ядерном центре ВНИИТФ (г. Снежинск) разрабатывается метод получения термоядерной энергии путём взрывов атомных зарядов, инициирующих d–d-реакцию. Огромная установка размещается под землей в скальном грунте: в ней предлагается производить термоядерные взрывы большой мощности. Плюс этого метода в том, что накопленного оружейного плутония хватит на тысячу лет вперед. А минусы сопутствующие — высокая радиоактивность продуктов и опасность катастроф.

МИР ИМЕЕТ ТОКАМАКИ, ТОЛЬКО БЛАГОДАРЯ РОССИИ

Мировая история токамакостроения в значительной степени связана с деятельностью Курчатовского института. Прообраз первого в мире токамака был создан здесь в 1955 году, а сам он – установка Т-1 из нержавеющей стали – в 1958-м.

Мировая история токамакостроения началась в России, а именно – в Курчатовском институте, где возникла идея создания установки тороидальной конструкции. Прообразом первого в мире токамака стала установка с сильным магнитным полем ТМП, созданная здесь в 1954 году. Сам первый токамак –Т-1 – был построен через три года.

Сенсацией в научном сообществе стала международная конференция МАГАТЭ, прошедшая в 1968 году в Новосибирске. На ней были представлены результаты исследований, полученные на токамаке Т-3А: рекордные по тем временам параметры температуры электронов (более 10 млн °C) и время удержания плазмы. Эти успехи вызвали «токамакоманию» во всём мире. В течение нескольких лет в мире было построено более 10 установок разных геометрических размеров и плазмофизических параметров. А лидерство российской установки стало неоспоримым среди термоядерных систем с магнитным удержанием плазмы.

В 1975 году в Курчатовском институте построили токамак Т-10, самый крупный в мире на тот момент. Он успешно работает до сих пор. Отличительной чертой установки является мощный нагрев электронной компоненты плазмы с помощью сверхвысокочастотных электромагнитных волн. В нашей стране были изобретены специальные приборы – гиротроны, с помощью которых и удалось достичь температуры плазмы на уровне 100 млн °C. Это тоже стало мировым рекордом.

В 1979 году был построен Т-7 – первый токамак со сверхпроводящей тороидальной магнитной системой, на котором применялась система так называемого неиндукционного поддержания тока. А в 1988 году учёные запустили сверхпроводящий токамак Т-15 – уже на новом передовом сверхпроводнике ниобий-олово. Полученные на установке Т-15 результаты стали основой для реализации проекта международного термоядерного реактора ITER.

JOINT EUROPEAN TORUS. Крупнейший ныне действующий токамак JET находится в Абингдоне (Великобритания), где работают 350 учёных-физиков со всей Европы и из других стран мира. Британскому токамаку принадлежит рекорд 1997 года — 16 мегаватт энергии. А ещё его называют «маленьким ИТЭРом», поскольку многие наработки JET будут применены в строящемся гигантском токамаке.

JT-60. Японский JT-60 тоже скоро заменит более мощный и современный токамак. Но прошлых заслуг аппарата это не отменяет. Токамаку, работавшему на острове Хонсю с 1985 по 2010 год, принадлежит рекорд по длительности разряда — 28,6 секунд.

EXPERIMENTAL ADVANCED SUPERCONDUCTING TOKAMAK. Китайский EAST был создан на основе первого в мире сверхпроводящего токамака Т-7, построенного в Курчатовском институте. С 2006 года он регулярно демонстрирует рекорды по стабилизации и температуре плазмы. Один из последних рекордов – плазменный разряд длительностью 102 секунды.

KOREA SUPERCONDUCTING TOKAMAK ADVANCED RESEARCH. Корейский токамак KSTAR был создан в 2008 году в Национальном Центре по термоядерным исследованиям (в настоящее время Национальный институт термоядерных исследований), конструктивно представляет собой токамак с D-образным сечением и нижним дивертором. Один из последних серьёзных результатов, полученных на токамаке KSTAR - поддержание неиндукционного тока разряда в течение 105 секунд.

В настоящее время в мире существует около 300 токамаков разных типов, построенных для исследований термоядерного синтеза.

Идея объединить усилия принадлежала СССР. Инициатором и одним из идеологов международного проекта по освоению термоядерной энергии ITER стал академик Е.П. Велихов. В 1985 году на встрече в Женеве Михаил Горбачёв изложил предложение советских специалистов тогдашнему президенту США Рональду Рейгану.

Советско-американская встреча на высшем уровне в Женеве. Генеральный секретарь ЦК КПСС Михаил Сергеевич Горбачёв и президент США Рональд Рейган перед началом беседы, 1985 год.

Схема реактора ИТЭР в основном базируется на российских разработках токамаков (Т-10 и Т-15). В отличие от первых токамаков, реактор ИТЭР будет оборудован дивертором – устройством для очистки плазмы от «примесей». В числе других его особенностей – вытянутое по вертикали поперечное сечение плазмы и сверхпроводники для создания магнитных полей.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ИТЭР БУДЕТ ПРИМЕРНО В 200 ТЫСЯЧ РАЗ БОЛЬШЕ, ЧЕМ У ЗЕМЛИ

Международный проект под названием ИТЭР (ITER) объединил участников из Индии, Японии, России, Китая, Южной Кореи, США и Евросоюза.

Соглашение о создании токамака во Франции было подписано в 2006 году, тогда же началась подготовка к строительству. Страны-участники вносят посильный вклад в общее дело. Европейцы, например, предоставляют 50% объема финансирования проекта ИТЭР. На долю России приходится примерно 10% от общей суммы, которые будут инвестированы в форме высокотехнологичного оборудования. Так, недавно стало известно, что Россия разработала устройства для нагрева плазмы для международного термоядерного проекта.

«В России разработаны если не лучшие, то одни из лучших в мире гиротроны — устройства для нагрева плазмы. Такие устройства имеются только в России и Японии, и эти две страны уже готовы осуществлять штатные поставки этого оборудования в программу ИТЭР», — заместитель директора блока по управлению инновациями госкорпорации «Росатом» Олег Патаракин.

На форуме «Атомэкспо» Патаракин также обратил внимание, что ранее российские специалисты полностью завершили поставки сверхпроводящих кабелей для ИТЭР.

42 гектара - площадь строительства, 15 млрд евро - примерный бюджет проекта, 23 тысячи тонн - вес установки (как три Эйфелевы башни)

По расчетам, температура внутри устройства будет около 150 млн °C. Глава одного из подразделений Международной организации ИТЭР Марио Мерола называет реактор «самой горячей штучкой нашей Солнечной системы». Проект предполагает, что первая плазма будет получена в 2025 году, а ещё через несколько лет гигантский токамак будет производить 500 МВт термоядерной мощности из 1 г топлива.

 

 

НИЦ «Курчатовский институт»

https://vid1.ria.ru/ig/sip/kurchatov/kurchatov-desktop-ru/#0

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Все фотографии, изображения, тексты, личная информация, видеофайлы и / или иные материалы, представленные на электронном вестнике "Жизнь Отечеству", являются исключительной собственностью владельца домена usprus.ru (за исключением материалов переопубликованных из иных источников, с правом публикации, либо авторские тексты, иной материал, переданные для публикации авторами).
Авторские права и другие права интеллектуальной собственности на все материалы, содержащиеся на электронном вестнике "Жизнь Отечеству", принадлежат собственнику домена usprus.ru, либо авторам публикаций, переданные для публикации на электронном вестнике "Жизнь Отечеству".
Использование вышеуказанных материалов без разрешения главного редактора электронного вестника "Жизнь Отечеству" является незаконным согласно ГКРФ.