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
Почему в корпорации исчезает атмосфера стартапа: опыт главы Waze, который боролся за свободу внутри Google и сдался Почему в корпорации исчезает атмосфера стартапа: опыт главы Waze, который боролся за свободу внутри Google и сдался

Ноам Бардин — что произошло с его независимым стартапом после продажи ИТ-гиганту

VC.RU
Насиловали за даму сердца, сморкались в скатерть: какими были настоящие рыцари Насиловали за даму сердца, сморкались в скатерть: какими были настоящие рыцари

Кого мы представляем себе, услышав слово «рыцарь»?

Cosmopolitan
Нас не сломаешь! Нас не сломаешь!

Как избежать остеопороза

Лиза
«Налоговый рай в сердце ЕС»: журналисты рассказали об активах связанных с госкомпаниями россиян в Европе «Налоговый рай в сердце ЕС»: журналисты рассказали об активах связанных с госкомпаниями россиян в Европе

Тысячи россиян владеют компаниями в Люксембурге с активами на триллионы евро

Forbes
Роман Балаян: «Не знаю, мое ли это призвание — режиссура, но мне она стала судьбой» Роман Балаян: «Не знаю, мое ли это призвание — режиссура, но мне она стала судьбой»

Режиссер Роман Балаян о съемках Алексея Германа и работе с Олегом Янковским

Караван историй
Космические нейтрино рождаются квазарами Космические нейтрино рождаются квазарами

Нейтрино рождаются вблизи черных дыр в далеких активных галактиках

Популярная механика
Диета молодости Диета молодости

Правильный рацион – ключевой элемент старения

Домашний Очаг
Как сохранить крестец здоровым: упражнения для людей любого возраста Как сохранить крестец здоровым: упражнения для людей любого возраста

Как сохранить здоровье крестца и всего организма?

Psychologies
«Скажи мне, что ты делал сегодня, и я скажу, кем и где ты будешь через 10 лет» «Скажи мне, что ты делал сегодня, и я скажу, кем и где ты будешь через 10 лет»

По тому, что мы делали сегодня, можно понять, кем мы будем через 10 лет

Psychologies
Какой мужчина! Сериалы с самыми привлекательными актерами Какой мужчина! Сериалы с самыми привлекательными актерами

Эти сериалы можно смотреть хотя бы ради актеров, исполняющих главные роли

Cosmopolitan
В 3500-летнем папирусе нашли древнейшее описание процесса мумификации В 3500-летнем папирусе нашли древнейшее описание процесса мумификации

Египтологи обнаружили старейшее из известных руководств по мумификации

N+1
«Цена от балды!»: почему в Сингапуре самые дорогие в мире автомобили «Цена от балды!»: почему в Сингапуре самые дорогие в мире автомобили

Что скажешь про хэтчбек «гольф»-класса за 100 тысяч евро?..

Maxim
Считал Airbnb достойным соперником и ставил на лояльность: как Арне Соренсон сделал Marriott крупнейшей сетью отелей Считал Airbnb достойным соперником и ставил на лояльность: как Арне Соренсон сделал Marriott крупнейшей сетью отелей

Как Арне Соренсон превратил Marriott в самую крупную сеть гостиниц в мире

VC.RU
Жизнь после смерти: 5 историй тех, кто вышел из комы Жизнь после смерти: 5 историй тех, кто вышел из комы

Истории людей, которые пережили клиническую смерть

Cosmopolitan
Остров сокровищ Остров сокровищ

Алмазные старатели Борнео

Вокруг света
10 важных принципов, которые должна знать умная женщина 10 важных принципов, которые должна знать умная женщина

Жизнь непредсказуема, но несколько важных женских принципов в ней выделить можно

Cosmopolitan
Разнотык: «Дорогие товарищи!» Андрея Кончаловского Разнотык: «Дорогие товарищи!» Андрея Кончаловского

Как Андрей Кончаловский показал палачей в фильме «Дорогие товарищи!»

Школа Masters
Как правильно пользоваться микроволновкой Как правильно пользоваться микроволновкой

Несколько хитрых приемов, благодаря которым твоя жизнь наполнится горячей пищей

Maxim
«Невероятно настоящий». Коллеги Кирилла Серебренникова — о работе с ним «Невероятно настоящий». Коллеги Кирилла Серебренникова — о работе с ним

Коллеги и ученики Кирилла Серебренникова о том, чему они научились у него

РБК
Роскошные платья, любовь и настоящие мужчины: 15 захватывающих ретросериалов Роскошные платья, любовь и настоящие мужчины: 15 захватывающих ретросериалов

Подборка ретросериалов, где время становится одним из действующих лиц

Cosmopolitan
Гневная инженерия: 9 седанов, которые не получились Гневная инженерия: 9 седанов, которые не получились

Седаны: худшие из худших

Maxim
Mazda CX-30: модель минус-сайз Mazda CX-30: модель минус-сайз

Самая обаятельная и привлекательная Mazda CX-30!

Maxim
Победителей не судят Победителей не судят

Александр Гудков и Иван Дорн — о звездном статусе, хайпе и друг друге

GQ
Скандал с Вуди Алленом и новые «Оптимисты»: что смотреть прямо сейчас? Скандал с Вуди Алленом и новые «Оптимисты»: что смотреть прямо сейчас?

Триллеры, ретродрамы и документалка про скандал с Вуди Алленом

Cosmopolitan
«Ельцин был человеком миссии». Георгий Сатаров о первом президенте России «Ельцин был человеком миссии». Георгий Сатаров о первом президенте России

Георгий Сатаров: Ельцин был компромиссным человеком и в жизни, и в политике

СНОБ
Летающий танк или летающий гроб? 6 железных фактов о штурмовике Ил-2 Летающий танк или летающий гроб? 6 железных фактов о штурмовике Ил-2

Каким был штурмовик Ил-2?

Maxim
«Предпринимательство — это сублимация». Основатели «Ясно» и Compot о том, зачем бизнесменам психотерапия и как не «отъехать кукухой» в мегаполисе «Предпринимательство — это сублимация». Основатели «Ясно» и Compot о том, зачем бизнесменам психотерапия и как не «отъехать кукухой» в мегаполисе

У многих российских предпринимателей всё еще сложное отношение к психотерапии

Inc.
Магнитная. Тайны космических всплесков Магнитная. Тайны космических всплесков

Магнетары — нейтронные звезды, помогающие раскрыть загадки космоса

Наука и жизнь
Квантовый вычислитель оказался сильнее классического в прикладной задаче Квантовый вычислитель оказался сильнее классического в прикладной задаче

Новая задача для квантового вычислителя с реальным возможным применением

N+1
Открыть в приложении