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

Правила долголетия Правила долголетия

Результаты крупнейшего исследования долгожителей

kiozk originals
«Современная смерть. Как медицина изменила уход из жизни» «Современная смерть. Как медицина изменила уход из жизни»

Отрывок из книги Хайдера Варрайч «Современная смерть»

N+1
Беспощадные поиски правды: «Рыцари справедливости» — мощная трагикомедия с Мадсом Миккельсеном Беспощадные поиски правды: «Рыцари справедливости» — мощная трагикомедия с Мадсом Миккельсеном

«Рыцари справедливости» трагикомедия о бессмысленной и беспощадной мести

Forbes
Маломощные реакторы спасут мирный атом Маломощные реакторы спасут мирный атом

Репутация – главная проблема атомной энергетики в XXI веке

Популярная механика
Проще простого: 8 лайфхаков для уборки Проще простого: 8 лайфхаков для уборки

Полезные советы для тех, кто хочет тратить время на бесконечную работу по дому

Домашний Очаг
Семь городов-призраков, которые вдруг покинули люди Семь городов-призраков, которые вдруг покинули люди

Подборка заброшенных городов мира для истинных ценителей уединения

Maxim
Что делать, если вы с партнером совершенно по-разному смотрите телевизор Что делать, если вы с партнером совершенно по-разному смотрите телевизор

Как правильно потреблять стриминговые медиа, если вы в паре

GQ
В другом измерении В другом измерении

Как возникает «химия» любви, можно ли продлить это прекрасное чувство?

Добрые советы
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
Ездить на велосипеде зимой: 5 простых правил на личном опыте Ездить на велосипеде зимой: 5 простых правил на личном опыте

Велосипед – это круглогодичный вид транспорта!

Популярная механика
Простор для творчества Простор для творчества

Кажется, что выполнить рекомендуемую «норму» по овощам — невозможно

Худеем правильно
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
Как менялся образ Джеймса Бонда Как менялся образ Джеймса Бонда

Как менялся главный британский шпион

GQ
Менуэт Менуэт

Новая парода кошек, названная в честь Наполеона

Weekend
Неизменные перчатки, отсылки к Голливуду и регулярные разборы шкафа: каким был гардероб Любви Орловой Неизменные перчатки, отсылки к Голливуду и регулярные разборы шкафа: каким был гардероб Любви Орловой

Гардероб актрисы Любови Орловой, одной из главных советских икон стиля

Esquire
«Ты ли это?»: Земфира выпустила клип по мотивам игры компании Playrix миллиардеров Бухманов «Ты ли это?»: Земфира выпустила клип по мотивам игры компании Playrix миллиардеров Бухманов

Сингл Земфиры «Остин», снятый по мотивам игры Homescape

Forbes
«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
«Убийство Уильяма Норвичского. Происхождение кровавого навета в средневековой Европе» «Убийство Уильяма Норвичского. Происхождение кровавого навета в средневековой Европе»

Медиевист заново рассматривает обстоятельства смерти Уильяма Норвичского

N+1
Планктон по-русски. Законы выживания в суровом мужском коллективе Планктон по-русски. Законы выживания в суровом мужском коллективе

Как выжить в русском офисе, сохранить психику и не потерять авторитет

Maxim
Самые интересные факты про Джона Траволту Самые интересные факты про Джона Траволту

Звезда, которая нас покинула, чтобы вернуться сквозь годы

Maxim
Как начать заниматься в тренажерном зале: 16 советов от мировых тренеров Как начать заниматься в тренажерном зале: 16 советов от мировых тренеров

Как правильно начать заниматься фитнесом, сохранить мотивацию и избежать травм

Playboy
Клатч у груди и вибратор в сумочке: что скрывала леди Диана — 6 тайн принцессы Клатч у груди и вибратор в сумочке: что скрывала леди Диана — 6 тайн принцессы

Вспоминаем самые странные привычки принцессы Дианы и раскрываем их тайный смысл

Cosmopolitan
Еще 5 самых глупых вещей, которые навсегда изменили наш с тобой мир Еще 5 самых глупых вещей, которые навсегда изменили наш с тобой мир

История человечества была бы совершенно иной, будь нос Клеопатры чуточку длиннее

Maxim
«Холостой выстрел» — фиаско автомата, который стрелял из-за угла «Холостой выстрел» — фиаско автомата, который стрелял из-за угла

Как автомат с изогнутым стволом вообще способен выстрелить?

Maxim
Кто такой статский советник? Кто такой статский советник?

Статский советник — это один из гражданских чинов в дореволюционной России

Культура.РФ
«Аллен против Фэрроу» — документальный сериал об обвинениях в насилии в адрес режиссера. Можно ли ему верить — или пора «отменять» Вуди Аллена? «Аллен против Фэрроу» — документальный сериал об обвинениях в насилии в адрес режиссера. Можно ли ему верить — или пора «отменять» Вуди Аллена?

«Аллен против Фэрроу» — сериал о #metoo, абьюзе и исторической памяти

Esquire
«Ваша цель — сделать так, чтобы вы шестимесячной давности выглядели идиотом в глазах себя сегодняшнего» «Ваша цель — сделать так, чтобы вы шестимесячной давности выглядели идиотом в глазах себя сегодняшнего»

Советы и бизнес-истории для начинающих предпринимателей от Остина Рифа

VC.RU
Хтонический реализм Хтонический реализм

«Пугало» — фестивальный хит из Якутии о деревенской знахарке

Weekend
«Без везения не обошлось. Но должно быть что-то больше, чем везение»: Юрий Мильнер о принципах, инвестициях и космосе «Без везения не обошлось. Но должно быть что-то больше, чем везение»: Юрий Мильнер о принципах, инвестициях и космосе

Главное из большого интервью Юрия Мильнера проекту «Русские норм»

VC.RU
Деньги с неба падают? Звезды, которые пытаются разбогатеть странными способами Деньги с неба падают? Звезды, которые пытаются разбогатеть странными способами

Какие техники используют знаменитости для достижения своих целей?

Cosmopolitan
Открыть в приложении