Мирный термояд: энергонадежды человечества

      Комментарии к записи Мирный термояд: энергонадежды человечества отключены

Мирный термояд: энергонадежды человечества

Итак, свершилось! 28 июня собравшиеся в Москве представители России, США, Европейского союза, Японии, южной Кореи и Китая объявили, что интернациональный экспериментальный термоядерный реактор соорудят в поселке Кадараш, что находится в юго-восточной части Франции вблизи города Экс-ан-Прованс. Во второй половине 80-ых годов двадцатого века именно там ввели в эксплуатацию самый большой в мире плазменный реактор на сверхпроводящих магнитах Tore Supra.

Путь длиною в 20 лет

Это решение положило финиш растянувшимся на полтора года закулисным переговорам и публичным спорам о расположении реактора. Оно было принято почти через 2 десятилетия по окончании того, как мысль создания реактора получила интернациональный статус. В первый раз она обсуждалась на самом высоком уровне в первых числах Октября 1985 года в ходе встречи Генсека ЦК КПСС Михаила Горбачева и французкого президента Франсуа Миттерана.

Эта мысль взяла предстоящее развитие через полтора месяца, в то время, когда Горбачев совершил переговоры в Женеве с аммериканским президентом Рональдом Рейганом. Скоро определился начальный круг партнеров по разработке реактора — СССР, США, япония и Евросоюз (со временем к ним присоединились КНР и Республика Корея). Во второй половине 90-ых годов двадцатого века США вышли из участников данной программы, но через четыре года сочли за благо снова к ней возвратиться.

В полной мере возможно, что в недалеком будущем к ней присоединятся кроме этого Бразилия и Индия.

Машина, которую выстроят в Кадараше, не сможет трудиться в качестве термоядерной электростанции, но, быть может, приблизит время ее появления. Неслучайно ее назвали ITER. Эта сокращение расшифровывается как International Thermonuclear Experimental Reactor, но имеет и символический суть, по-латыни iter — дорога, путь. По плану конструкторов, кадарашский реактор обязан проложить путь к термоядерной энергетике будущего, которая обеспечит выживание человечества и по окончании истощения запасов угля, нефти и газа.

Но, она пригодится и по второй причине. Через 40−50 лет человечеству придется быстро сократить применение органического горючего в связи с перегревом воздуха, обусловленным возрастанием концентрации углекислого газа.

Мало физики

Не смотря на то, что журналисты не устают твердить, что ITER воспроизведет на Земле процессы, протекающие в глубинах Солнца, это сравнение не через чур правомерно. Базой внутрисолнечного термоядерного синтеза есть так называемый водородный цикл, на протяжении которого четыре протона преобразовываются в ядро гелия-4, два позитрона и два нейтрино. Данный цикл включает в себя пара ядерных реакций, скорости которых зависят от плотности и температуры солнечных недр.

Первая из них, превращение пары протонов в ядро дейтерия, позитрон и нейтрино, в среднем требует приблизительно 14 миллиардов лет (стоит отыскать в памяти, что срок судьбы отечественной Вселенной пара меньше). Не приходится удивляться, что реакция известна физикам только теоретически, в опыте еще никто ее не замечал. Само собой разумеется, некоторым протонам удается встретиться и объединиться и за большое количество меньшее время. Будь в противном случае, термоядерная печь в центре сгустившейся газо-пылевой туманности, которая 4 млрд.

600 млн. лет назад дала начало отечественному Солнцу, не зажглась бы и до сих пор. Но из-за медлительности водородного цикла генерация энергии в центре Солнца в расчете на единицу массы смехотворно мелка. Как ни парадоксально, один грамм солнечной материи выделяет кроме того меньше тепла, чем грамм людской тела!

Громадная мощность излучения Солнца, 3,8×1026 Вт, разъясняется его огромной массой. Исходя из этого в качестве источника энергии для электростанций водородный цикл очевидно негоден.

К счастью для нас, на нем свет клином не сошелся, имеется и другие реакции. Для энергетического реактора оптимальнее подходит слияние трития и ядер дейтерия, в следствии него образуется ядро нейтрон и гелия. Любопытно, что выделение энергии данной реакции намного меньше высвобождения энергии в водородном цикле — 17,6 млн. электронвольт (МэВ) против 26,2 млн.

Однако здесь счет времени идет только на секунды, и исходя из этого она в полной мере устраивает конструкторов термоядерных реакторов. ITER именно и будет трудиться на дейтериево-тритиевой смеси. Источником дейтерия послужит простая вода, а тритий будут получать из облученного нейтронами лития, самого легкого из всех металлов, третьего элемента таблицы Менделеева.

Для преодоления кулоновского отталкивания дейтериево-тритиевую плазму нужно нагреть минимум до 100 млн. градусов. Но эта температура сама по себе не повлечет за собой самоподдерживающийся термоядерный процесс. В среднем на каждые сто тысяч столкновений ядер дейтерия с ядрами трития приходится только единственный акт образования гелия. Исходя из этого для запуска реактора плазму направляться не только подогреть, но и очень сильно сжать.

Ее кроме этого нужно сохранить в таком состоянии столь продолжительно, дабы успело сгореть заметное количество термоядерного горючего. Требуемую продолжительность и плотность плазмы ее удержания возможно вычислить на базе численного критерия происхождения термоядерной реакции, установленного во второй половине 50-ых годов XX века американским физиком Джеймсом Лоусоном и носящего его имя.

Как же обеспечить исполнение критерия Лоусона в лабораторных, а после этого и в промышленных установках? на данный момент для этого существуют только два перспективных способа — магнитный и инерционный. В первом случае плазму изолируют посредством сильных магнитных полей, каковые мешают ее падению на стены реактора.

В соответствии с условием Лоусона, при температурах порядка 100−200 миллионов градусов требуемая плотность плазмы образовывает 200−300 триллионов частиц на кубический сантиметр (звучит страшновато, но это всего лишь пара миллиграммов на кубометр), а время удержания — 2−3 секунды. При применении второго способа дейтериево-тритиевые мишени обжимают посредством лазерных импульсов.

Данный метод разрешает в миллиарды раз расширить плотность плазмы и в такой же пропорции сократить продолжительность ее удержания. В принципе, вероятно и сжатие плазмы ударными звуковыми волнами, которое иногда рекламируют как «холодный» термояд, но оно никак не снабжает исполнение критерия Лоусона. ITER задуман как раз как агрегат с магнитным удержанием.

реальность и Блеф

Работа над подобными системами ведется уже более 50 лет. Андрей Дмитриевич Сахаров писал в собственных «Воспоминаниях», что в первый раз задумался об осуществлении управляемой термоядерной реакции во второй половине 40-ых годов XX века, но «без каких-либо разумных конкретных идей». Потом сработала рука судьбы в лице секретариата Берии.

Летом 1950-го из грозной инстанции на заключение Сахарову было выслано письмо, посланное в ЦК ВКП (б) сержантом Олегом Лаврентьевым, что служил на Сахалине радиотелеграфистом. 24-летний Лаврентьев внес предложение в полной мере разумную схему водородной бомбы, и конструкцию промышленного термоядерного реактора, где изоляция плазмы осуществлялась за счет постоянного электрического поля.

Сахаров в собственном отзыве очень лестно отозвался о Лаврентьеве, но выделил, что электростатическая термоизоляция плазмы неосуществима на практике. Тогда же Сахаров осознал, что плазму возможно удержать магнитным полем, замкнутым в тороидальной обмотки. Через пара дней к данной проблеме подключился и Игорь Евгеньевич Тамм. Тамм и Сахаров вычислили конфигурацию магнитных полей, талантливых сжимать плазму в узкий шнур и мешать ее падению на стены камеры.

Эти вычисления стали базой программы разработки тороидального магнитного термоядерного реактора, утвержденной Совмином 5 мая 1951 года. Научное управление этими изучениями было возложено на члена АН СССР Л.А. Арцимовича.

Совминовское распоряжение было принято в изрядной спешке — и не просто так. 24 марта аргентинский президент Хуан Перон объявил, что австрийский физик-эмигрант Рональд Рихтер добился «контролируемого высвобождения ядерной энергии при температуре в миллионы градусов без применения уранового горючего». По логике, обращение имела возможность идти лишь о термояде. Курчатов рассказал об этом Берии, что тут же пробил ответ о начале работ над советским реактором.

Распоряжение подписал сам Сталин. Что до пероновской сенсации, то она, само собой разумеется, была блефом. Рихтер не был шарлатаном, он экспериментировал с высокотемпературными дуговыми разрядами и в полной мере имел возможность взять температуру порядка 50 тысяч градусов, но к термояду, само собой разумеется, кроме того и не приблизился.

В позапрошлом году издание Physics Today сказал, что испытания Рихтера облегчили аргентинскую казну на 62 млн. песо, около 10 млн. долларов по тогдашнему курсу.

За океаном на эту тему начали думать еще раньше. Во второй половине 40-ых годов двадцатого века физики в Лос-Аламосе произвели расчеты двух конфигураций «магнитных бутылок» для удержания плазмы — цилиндрической и тороидальной. Им показалось, что такие «сосуды» неизбежно будут подтекать, и исходя из этого дальше вычислений дело не пошло.

В первой половине 50-ых годов XX века американский физик Лайман Спитцер внес предложение более сложную конструкцию магнитного реактора, что он назвал стелларатором (кстати, в интервью 1988 года сам Спитцер поведал, что к разработке стелларатора его подвигнуло сообщение о заявлении Перона). Первые опыты со стеллараторами была неудачными, но на данный момент с этими совокупностями трудятся в Соединенных Штатах, Японии и ФРГ.

Приблизительно тогда же британские и американские физики начали опыты с магнитным удержанием газовых разрядов в трубках-бубликах (такие разряды именуются тороидальными пинчами). Позднее были предложены и другие типы магнитных ловушек для плазмы. Но, как продемонстрировало время, самая перспективной была схема Тамма и Сахарова.

Именно на ее базе были созданы бессчётные реакторы-токамаки, к числу которых относится и ITER.

История Токамака

Считается, что слово «токамак» появилось как сокращение фразы «тороидальная камера с магнитными катушками». Но в действительности это всего лишь эргономичная расшифровка уже имевшегося заглавия. Главная работа над магнитными термоядерными реакторами происходила в Университете ядерной энергии, что в 1950-е годы маскировался под скромным именем Лаборатории измерительных устройств АН СССР (ЛИПАН).

Этим занималось особенное подразделение — Бюро электрических устройств (БЭП), для которого быстренько выстроили отдельный дом рядом со строением Отдела электроаппаратуры, где под управлением Арцимовича занимались электромагнитным разделением радиоактивных изотопов. В феврале 1953 года в том месте состоялся семинар, на котором обсуждали доклад о разработке магнитного термоядерного реактора, подготовленный техническими начальниками проекта Н.А. Явлинским и И.Н.

Головиным. Как раз в этом сообщении будущая установка в первый раз была названа токамаком. Головин тогда заявил, что это легко сокращение слов «тока максимум».

Авторы доклада полагали, что сила тока в тороидальных разрядах намного превысит силу тока в прямолинейных трубках, из этого и наименование аппарата. Со временем эта догадка была опровергнута, а вот термин «токамак» остался, и с конца 1950-х отправился гулять по миру.

Вот пара вех истории этих установок. В первой половине 50-ых годов XX века сотрудники БЭП приступили к опробованиям фарфоровой тороидальной камеры с магнитной намоткой, которая стала примером будущих токамаков. направляться подчернуть, что для расчета режимов ее работы под управлением Явлинского была создана одна из первых советских электронно-вычислительных автомобилей ЦЭМ-1.

В конце 1960-х на советском токамаке Т-3А была взята плазма с температурой электронов в 20 млн. градусов, а ионов — в 4 млн. и в первый раз зарегистрировано устойчивое термоядерное излучение плазменного шнура. Через десятилетие принстонский токамак RLT нагрел ионы в плазме приблизительно до восьмидесяти миллионов градусов.

В 1995 году на втором американском токамаке TFTR температура ионов была доведена до 510 млн. градусов; позднее данный рекорд был превзойден на японском токамаке JT-10, что разогрел ионы до 520 млн. градусов. Опыты на этих автомобилях и на наибольшем в мире европейском токамаке JET разрешили нагреть, сжать и удержать дейтериево-тритиевую плазму до кондиций, каковые всего в пять-шесть раз не дотянули до исполнения критерия Лоусона. Это громадный скачок, в случае если учесть, что в начале семидесятых годов критерий Лоусона получалось реализовать только на малые доли процента.

Мегамашина

Установка ITER — воистину мегамашина: вес 19 000 т, внутренний радиус тороидальной камеры — 2 м, внешний — больше шести метров. Ее сооружение займет 10 лет, опыты начнутся не ранее 2015 года и продлятся несколько десятков лет. Согласно расчетам, на данной установке в первый раз удастся выполнить лоусоновский критерий для дейтериево-тритиевой плазмы и запустить в ней термоядерную реакцию.

Не смотря на то, что реактору потребуется постоянная внешняя энергоподпитка, он сможет стабильно генерировать в 5 раза больше тепловой энергии, чем будет истрачено на нагрев плазмы (а в пиковых режимах — кроме того и на порядок). ITER сможет развивать мощность в 500 МВт в циклах длительностью до 500 с (сравним: JET дает 16-мегаваттные «вспышки» длительностью менее 1 с).

Допустим, все отправится по замыслу — что тогда? Данный вопрос «ПМ» задала одному из наибольших экспертов по физике плазмы Роальду Сагдееву, настоящему участнику РАН и доктору физических наук Мэрилендского университета: «Ответ о сооружении реактора вызывает у меня смешанные эмоции. Данный проект большое количество обещает физике, но, по-видимому, ничего не позволит экономике.

Более того, нет никаких обеспечений, что ITER станет прототипом промышленных термоядерных реакторов, потому, что для этого смогут пригодиться не токамаки, а совсем иные установки».

По словам Сагдеева, прежде всего нужно выстроить долгосрочную стратегию поиска нетрадиционных источников энергии. самый реальный кандидат на эту роль — реакторы-размножители на стремительных нейтронах, но занимаются ими до тех пор пока до обидного мало, нет ни единого большого интернационального проекта. Нельзя исключать, что ITER и его аналоги принесут главную пользу в качестве устройств, обезвреживающих бридерные «шлаки».

Дело в том, что при работе реакторов-размножителей появляются долгоживущие радиоактивные элементы семейства актиноидов, от которых нужно как-то избавляться. Эти отходы возможно «сжигать» посредством потоков стремительных нейтронов, появляющихся в токамаках при синтезе гелия из трития и дейтерия.

Эйнштейн утверждал, что наука — драма идей. Но не нужно забывать, что эту драму разыгрывает актерский состав, в который включены и отдельные личности, и научные коллективы, а также целые страны. История проекта ITER — хорошее тому подтверждение.

Термоядерный синтез

При слиянии ядер легких элементов выделяется энергия. Это правило (с некоторыми исключениями) вправду впредь до 26-го элемента таблицы Менделеева — железа. Синтез более тяжелых ядер происходит уже с поглощением энергии.

Дабы ядра смогли слиться, они должны приблизиться друг к другу на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра. Но ядра владеют хорошим зарядом и отталкиваются друг от друга по закону Кулона. Дабы преодолеть это отталкивание, они должны иметь весьма громадную кинетическую энергию.

Исходя из этого реакции ядерного синтеза требуют высоких температур — от десятков до сотен миллионов градусов. В природе такие реакции в первую очередь идут в недрах громадных и малых светил и служат главным источником звездной энергии. Они кроме этого имеют место при взрывах сверхновых, в окрестности черных дыр и в других непригодных для жизни условиях.

Для осуществления таких реакций на Земле вещество нужно очень сильно разогреть — ядерным взрывом, замечательным газовым разрядом, лазерными либо микроволновыми импульсами или бомбардировкой высокоэнергетичными частицами.

Взрыв — это водородная бомба, и невоенного применения он пока не имеет. А вот в случае если осуществить слияние легких ядер в контролируемых условиях, к тому же с хорошим выходом энергии, то окажется управляемый термоядерный синтез — надежда человечества и великая мечта физиков на обретение фактически неисчерпаемого экологически чистого источника энергии. Более чем полувека для данной цели конструируют сложнейшие устройства, каковые не только разогревают вещество до все более высоких кондиций, но и удерживают сверхгорячую плазму в надёжных пределах.

Пионеры термояда

Дадим дань памяти пионерам изучений управляемого термояда, упомянутым в данной статье. Олег Александрович Лаврентьев в первой половине 50-ых годов двадцатого века демобилизовался и поступил на физфак МГУ (его соседом по общежитию был Роальд Сагдеев), на данный момент он трудится в Харьковском физико-техническом университете. Труды А.Д. Сахарова — достояние общечеловеческой истории. И.Е.

Тамм в первой половине 50-ых годов XX века стал академиком и Героем cоцтруда, пятью годами позднее взял Нобелевскую премию и в первой половине 70-ых годов двадцатого века умер от бокового амиотрофического склероза. В том же году в настоящие участников АН стал и Арцимович, что до конца жизни (1973) занимался термоядерным синтезом. Натану Ароновичу Явлинскому будущее отпустила всего полвека судьбы — 28 июля 1962 года он вместе с дочерью и женой погиб в авиакатастрофе под Адлером.

Игорь Николаевич Головин (1913−1997) в 50-е годы первенствовал помощником Курчатова, до самой смерти трудился в ИАЭ, где много сделал для развития экспериментальной базы изучений по программе управляемого термоядерного синтеза. Лайман Спитцер (1914−1997) выполнил множество фундаментальных изучений по астрофизике и астрономии и внес громадный вклад в создание орбитальных обсерваторий. Его именем назвали орбитальный инфракрасный телескоп, что 25 августа 2003 года был выведен на траекторию земной орбиты около Солнца.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№35, сентябрь 2005).

В СВЕРХОРУЖИЕ МОЖНО превратить и РВ…


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: