Вторая половина XX века была периодом бурного развития ядерной физики

Популярная механикаНаука

Термоядерные реакторы: есть ли у них будущее

Игорь Егоров

Вторая половина XX века была периодом бурного развития ядерной физики. Стало ясно, что ядерные реакции можно использовать для получения огромной энергии из мизерного количества топлива. От взрыва первой ядерной бомбы до первой АЭС прошло всего девять лет, и когда в 1952 году была испытана водородная бомба, появились прогнозы, что уже в 1960-х вступят в строй термоядерные электростанции. Увы, эти надежды не оправдались.

Основной источник энергии для человечества в настоящее время — сжигание угля, нефти и газа. Но их запасы ограничены, а продукты сгорания загрязняют окружающую среду. Угольная электростанция дает больше радиоактивных выбросов, чем АЭС такой же мощности! Так почему же мы до сих пор не перешли на ядерные источники энергии? Причин тому много, но главной из них в последнее время стала радиофобия. Несмотря на то что угольная электростанция даже при штатной работе вредит здоровью куда большего числа людей, чем аварийные выбросы на АЭС, она делает это тихо и незаметно для публики. Аварии же на АЭС сразу становятся главными новостями в СМИ, вызывая общую панику (часто совершенно необоснованную). Впрочем, это вовсе не означает, что у ядерной энергетики нет объективных проблем. Немало хлопот доставляют радиоактивные отходы: технологии работы с ними все еще крайне дороги, и до идеальной ситуации, когда все они будут полностью перерабатываться и использоваться, еще далеко.

a506c234f2bfbbc206ecc5f66ae2fbf0.jpg
Из всех термоядерных реакций в ближайшей перспективе интересны лишь четыре: дейтерий+дейтерий (продукты - тритий и протон, выделяемая энергия 4,0 МэВ), дейтерий+дейтерий (гелий-3 и нейтрон, 3,3 МэВ), дейтерий+тритий (гелий-4 и нейтрон, 17,6 МэВ) и дейтерий+гелий-3 (гелий-4 и протон, 18,2 МэВ). Первая и вторая реакции идут параллельно с равной вероятностью. Образующиеся тритий и гелий-3 «сгорают» в третьей и четвертой реакциях.

От деления к синтезу

Потенциально решить эти проблемы позволяет переход от реакторов деления к реакторам синтеза. Если типичный реактор деления содержит десятки тонн радиоактивного топлива, которое преобразуется в десятки тонн радиоактивных отходов, содержащих самые разнообразные радиоактивные изотопы, то реактор синтеза использует лишь сотни граммов, максимум килограммы, одного радиоактивного изотопа водорода — трития. Кроме того, что для реакции требуется ничтожное количество этого наименее опасного радиоактивного изотопа, его производство к тому же планируется осуществлять непосредственно на электростанции, чтобы минимизировать риски, связанные с транспортировкой. Продуктами синтеза являются стабильные (не радиоактивные) и нетоксичные водород и гелий. Кроме того, в отличие от реакции деления, термоядерная реакция при разрушении установки моментально прекращается, не создавая опасности теплового взрыва. Так почему же до сих пор не построено ни одной действующей термоядерной электростанции? Причина в том, что из перечисленных преимуществ неизбежно вытекают недостатки: создать условия синтеза оказалось куда сложнее, чем предполагалось в начале.

Критерий Лоусона

Чтобы термоядерная реакция была энергетически выгодной, нужно обеспечить достаточно высокую температуру термоядерного топлива, достаточно высокую его плотность и достаточно малые потери энергии. Последние численно характеризуются так называемым «временем удержания», которое равно отношению запасённой в плазме тепловой энергии к мощности потерь энергии (многие ошибочно полагают, что «время удержания» – это время, в течение которого в установке поддерживается горячая плазма, но это не так). При температуре смеси дейтерия и трития, равной 10 кэВ (примерно 110 000 000 градусов), нам нужно получить произведение числа частиц топлива в 1 см3 (т.е. концентрации плазмы) на время удержания (в секундах) не менее 1014. При этом неважно, будет ли у нас плазма с концентрацией 1014 см-3 и временем удержания 1 с, или плазма с концентрацией 1023 и время удержания 1 нс. Это критерий называется «критерием Лоусона».

Кроме критерия Лоусона, отвечающего за получение энергетически выгодной реакции, существует ещё критерий зажигания плазмы, который для дейтерий-тритиевой реакции примерно втрое больше критерия Лоусона. «Зажигание» означает, что той доли термоядерной энергии, что остаётся в плазме, будет хватать для поддержания необходимой температуры, и дополнительный нагрев плазмы больше не потребуется.

Z-пинч

Первым устройством, в котором планировалось получить управляемую термоядерную реакцию, стал так называемый Z-пинч. Эта установка в простейшем случае состоит всего из двух электродов, находящихся среде дейтерия (водорода-2) или смеси дейтерия и трития, и батареи высоковольтных импульсных конденсаторов. На первый взгляд кажется, что она позволяет получить сжатую плазму, разогретую до огромной температуры: именно то, что нужно для термоядерной реакции! Однако в жизни все оказалось, увы, далеко не так радужно. Плазменный жгут оказался неустойчивым: малейший его изгиб приводит к усилению магнитного поля с одной стороны и ослаблению с другой, возникающие силы еще больше увеличивают изгиб жгута — и вся плазма «вываливается» на боковую стенку камеры. Жгут неустойчив не только к изгибу, малейшее его утоньшение приводит к усилению в этой части магнитного поля, которое еще сильнее сжимает плазму, выдавливая ее в оставшийся объем жгута, пока жгут не будет окончательно «передавлен». Передавленная часть обладает большим электрическим сопротивлением, так что ток обрывается, магнитное поле исчезает, и вся плазма рассеивается.

f4eb039f6a97ebf39ae043f1ef777bcd.jpg
Принцип работы Z-пинча прост: электрический ток порождает кольцевое магнитное поле, которое взаимодействует с этим же током и сжимает его. В результате плотность и температура плазмы, через которую течёт ток, возрастают.

Стабилизировать плазменный жгут удалось, наложив на него мощное внешнее магнитное поле, параллельное току, и поместив в толстый проводящий кожух (при перемещении плазмы перемещается и магнитное поле, что индуцирует в кожухе электрический ток, стремящийся вернуть плазму на место). Плазма перестала изгибаться и пережиматься, но до термоядерной реакции в сколько-нибудь серьезных масштабах все равно было далеко: плазма касается электродов и отдает им свое тепло.

Современные работы в области синтеза на Z-пинче предполагают еще один принцип создания термоядерной плазмы: ток протекает через трубку из плазмы вольфрама, которая создает мощное рентгеновское излучение, сжимающее и разогревающее капсулу с термоядерным топливом, находящуюся внутри плазменной трубки, подобно тому, как это происходит в термоядерной бомбе. Однако эти работы имеют чисто исследовательский характер (изучаются механизмы работы ядерного оружия), а выделение энергии в этом процессе все еще в миллионы раз меньше, чем потребление.

dfa56c5de949f9ff8605bef5c6bbf023.jpg
Чем меньше отношение большого радиуса тора токамака (расстояния от центра всего тора до центра поперечного сечения его трубы) к малому (радиусу сечения трубы), тем больше может быть давление плазмы при том же магнитном поле. Уменьшая это отношение, учёные перешли от круглого сечения плазмы и вакуумной камеры к D-образному (в этом случае роль малого радиуса выполняет половина высоты сечения). У всех современных токамаков форма сечения именно такая. Предельным случаем стал так называемый «сферический токамак». В таких токамаках вакуумная камера и плазма имеют почти сферическую форму, за исключением узкого канала, соединяющего полюса сферы. В канале проходят проводники магнитных катушек. Первый сферический токамак, START, появился лишь в 1991-м году, так что это достаточно молодое направление, но оно уже показало возможность получить то же давление плазмы при втрое меньшем магнитном поле.

Пробкотрон, стелларатор, токамак

Другой вариант создания необходимых для реакции условий — так называемые открытые магнитные ловушки. Самая известная из них — «пробкотрон»: труба с продольным магнитным полем, которое усиливается на ее концах и ослабевает в середине. Увеличенное на концах поле создает «магнитную пробку» (откуда русское название), или «магнитное зеркало» (английское — mirror machine), которое удерживает плазму от выхода за пределы установки через торцы. Однако такое удержание неполное, часть заряженных частиц, движущихся по определенным траекториям, оказывается способной пройти через эти пробки. А в результате столкновений любая частица рано или поздно попадет на такую траекторию. Кроме того, плазма в пробкотроне оказалась еще и неустойчивой: если в каком-то месте небольшой участок плазмы удаляется от оси установки, возникают силы, выбрасывающие плазму на стенку камеры. Хотя базовая идея пробкотрона была значительно усовершенствована (что позволило уменьшить как неустойчивость плазмы, так и проницаемость пробок), к параметрам, необходимым для энергетически выгодного синтеза, на практике даже приблизиться не удалось.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Как восстановить режим сна Как восстановить режим сна

Превратись из ворчливого полуночника в раннюю пташку!

Maxim
«Съел боул с ростками — закрыл гештальт». Создатель «здорового попкорна» и вегетарианский шеф-повар — о мифах об авокадо, правильном питании, модной годжи и немодной брюкве «Съел боул с ростками — закрыл гештальт». Создатель «здорового попкорна» и вегетарианский шеф-повар — о мифах об авокадо, правильном питании, модной годжи и немодной брюкве

Как найти баланс между пользой и эмоциями от еды?

Inc.
Опасные гидраты и где они обитают Опасные гидраты и где они обитают

Потепление климата связывают с ростом в атмосфере количества парниковых газов

Наука и жизнь
7 важных книг о старении и долголетии, которые стоит прочесть 7 важных книг о старении и долголетии, которые стоит прочесть

Каков лимит у молодости? Почему мы стареем?

Популярная механика
Как писать американскую прозу: фрагмент эссе американского писателя и многолетнего автора Esquire Филипа Рота Как писать американскую прозу: фрагмент эссе американского писателя и многолетнего автора Esquire Филипа Рота

Фрагмент знаменитого эссе «Как писать американскую прозу» Филипа Рота

Esquire
Кто был лучшим другом Александра Пушкина? Кто был лучшим другом Александра Пушкина?

Кого считают лучшим другом Пушкина?

Культура.РФ
Эффектный конский хвост: 10 крутых идей для самой удобной прически Эффектный конский хвост: 10 крутых идей для самой удобной прически

Если обычный конский хвост — это слишком скучно, то попробуй наши варианты

Cosmopolitan
Мясное растениеводство Мясное растениеводство

Производством искусственных котлет занялись и стартапы, и крупные агрохолдинги

Forbes
Маяк, из-за которого произошло 23 кораблекрушения Маяк, из-за которого произошло 23 кораблекрушения

Вспоминай его каждый раз, когда тебе говорят, что ты плохо делаешь свою работу.

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

Танкетка «Голиаф» — крохотное изобретение вермахта

Maxim
Андрей Руденский: «Если бы думал, что я как все, не пошел бы в актеры» Андрей Руденский: «Если бы думал, что я как все, не пошел бы в актеры»

«Нет... Вас никогда не будут снимать. Ваше лицо — для рекламы одеколона»

Караван историй
Тело как улика Тело как улика

Бодинейтральность – новая тенденция, которая приходит на смену бодипозитиву

Cosmopolitan
Катя Смольникова Катя Смольникова

Инженер-физик колдует над мультикремами, которые не перекраивают ваше лицо

Собака.ru
Вы считаете себя талантливым человеком? Вопрос дня Вы считаете себя талантливым человеком? Вопрос дня

Участники проекта «Сноб» рассказывают, считают ли они себя талантливыми

СНОБ
Алкогений №75: Л. И. Брежнев Алкогений №75: Л. И. Брежнев

Леонид Ильич Брежнев не был алкоголиком ельцинского калибра

Maxim
Как правильно пользоваться микроволновкой Как правильно пользоваться микроволновкой

Несколько хитрых приемов, благодаря которым твоя жизнь наполнится горячей пищей

Maxim
«Зеленый» разворот: опасна ли политика Байдена для нефтегазового бизнеса «Зеленый» разворот: опасна ли политика Байдена для нефтегазового бизнеса

Новый президент Америки провозгласил курс на «зеленую» энергетику

Forbes
Цианобактерии выжили на марсианских ресурсах Цианобактерии выжили на марсианских ресурсах

Цианобактерии наработали биомассу в условиях низкого давления

N+1
Почему то, что одному — лекарство, для другого если и не яд, то бесполезная пилюля Почему то, что одному — лекарство, для другого если и не яд, то бесполезная пилюля

Медицина начинает лечить не абстрактного пациента, а конкретного тебя

Maxim
На два фронта На два фронта

Что делать женщине, если ее муж – «двоеженец» и не собирается ничего менять?

Лиза
Наркотики и аборты без анестезии: как обращались с детьми-актерами в Голливуде Наркотики и аборты без анестезии: как обращались с детьми-актерами в Голливуде

Голливуд — фабрика грез с двойным дном

Cosmopolitan
«Я ухожу, а вы остаетесь»: самые известные цитаты из фильмов с Андреем Мягковым «Я ухожу, а вы остаетесь»: самые известные цитаты из фильмов с Андреем Мягковым

Крылатые фразы, принадлежащие героям Андрея Мягкова

Cosmopolitan
Посттравматический абсурд Посттравматический абсурд

«Рыцари справедливости» — депрессивная комедия о смысле жизни

Weekend
Метод Inbox Zero. Как быстро разгребать почту и не пропускать ничего важного Метод Inbox Zero. Как быстро разгребать почту и не пропускать ничего важного

Как оптимизировать работу с электронной почтой?

Inc.
За что мы любим персонажей Андрея Мягкова За что мы любим персонажей Андрея Мягкова

Мягков у Рязанова играл советского человека таким, каким он был в своей массе

GQ
«Это не по-пацански»: 7 токсичных стереотипов, которые портят жизнь мужчинам «Это не по-пацански»: 7 токсичных стереотипов, которые портят жизнь мужчинам

Концепция «настоящего мужика» в нашем обществе претерпевает трансформацию

Playboy
«Мы забросили русское искусство!» Что Мягков думал о современном российском кино «Мы забросили русское искусство!» Что Мягков думал о современном российском кино

Андрей Мягков, его отношение к кино, железные принципы и большая любовь

Cosmopolitan
Белковая диета – способ похудеть и удержать вес Белковая диета – способ похудеть и удержать вес

Белковая диета на две недели позволяет похудеть и долго удерживать вес

Cosmopolitan
Редкие металлы Редкие металлы

В дизайне этой квартиры присутствуют материалы, нетипичные для жилых интерьеров

AD
Эти чувства — вода Эти чувства — вода

Сергей Лазарев провел новогодние каникулы с друзьями на Бали

OK!
Открыть в приложении