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

13,5 важнейших революций 13,5 важнейших революций

Краткий обзор революций, перевернувших мир

Maxim
Смертельный номер: несчастные случаи, произошедшие на съемках фильмов Смертельный номер: несчастные случаи, произошедшие на съемках фильмов

Фильмы, во время съемок которых произошли чудовищные трагедии

Cosmopolitan
Магический реализм Магический реализм

Флоренс Уэлч, солистка Florence + the Machine, околдовала мир своим голосом

Glamour
Мария Аронова. Бабье счастье Мария Аронова. Бабье счастье

Актриса Мария Аронова о семье, слабостях и страхе одиночества

Караван историй
Чем заняться перед смертью Чем заняться перед смертью

Как сделать так, чтобы уход из этого мира был наполнен смысл для самого себя?

СНОБ
«День сурка»: плюсы и минусы рутины «День сурка»: плюсы и минусы рутины

Почему рутинная жизнь может выматывать, а может умиротворять

Psychologies
Сын вырос и не общается с матерью: почему так происходит Сын вырос и не общается с матерью: почему так происходит

В чем сегодня заключается сыновний долг перед матерью?

Psychologies
Золото в шкафу: как крошечный стартап помогает крупным компаниям наживаться на буме перепродаж Золото в шкафу: как крошечный стартап помогает крупным компаниям наживаться на буме перепродаж

Секонд-хенд становится тенденцией, от которой в восторге и покупатели, и бренды

Forbes
Больше, больше объема! Откуда пришел модный оверсайз и зачем он нужен Больше, больше объема! Откуда пришел модный оверсайз и зачем он нужен

Почему оверсайз вошел в моду и задержался там на несколько десятилетий

Cosmopolitan
Как позволить себе стать собой и изменить жизнь Как позволить себе стать собой и изменить жизнь

Как найти свое место в потоке жизни, как узнать, куда плыть?

Psychologies
Миллиардер Марк Кьюбан: Понимание этой простой концепции сделает вас богатыми в современном мире Миллиардер Марк Кьюбан: Понимание этой простой концепции сделает вас богатыми в современном мире

Сегодня ценность любого актива определяется тем, что думают об этом люди

Inc.
Змея, которую пригрела Диана: как выглядела та, которая увела мужа у леди Ди Змея, которую пригрела Диана: как выглядела та, которая увела мужа у леди Ди

Сравниваем стиль Камиллы Паркер-Боулз и принцессы Дианы

Cosmopolitan
Новый робот борозды не испортит Новый робот борозды не испортит

В сельском хозяйстве хозяйничают роботы и все самые фантастические технологии!

Maxim
Самобытная Россия: нивхи Самобытная Россия: нивхи

Как нивхи пешком пришли на Сахалин с Большой земли

Культура.РФ
Если сотрудник вечно жалуется вам на жизнь: что можно сделать Если сотрудник вечно жалуется вам на жизнь: что можно сделать

Что делать, если ваш коллега решил «поплакаться в жилетку»

Psychologies
Укол зонтиком и другие неординарные покушения на жизнь политиков Укол зонтиком и другие неординарные покушения на жизнь политиков

Самые странные покушения на жизнь политиков

Maxim
«Пока мы только спасаем свои жизни»: Марина Лошак в беседе с Ириной Мак «Пока мы только спасаем свои жизни»: Марина Лошак в беседе с Ириной Мак

Директриса ГМИИ им. А.С. Пушкина — об изменившейся художественной сцене

Школа Masters
Гадание на датасетах Гадание на датасетах

Может ли машинное обучение предсказать свое будущее?

N+1
Хлороиндазол восстановил зрительные пути мышей с рассеянным склерозом Хлороиндазол восстановил зрительные пути мышей с рассеянным склерозом

Хлороиндазол восстановил миелин отростков нейронов зрительного пути у мышей

N+1
Вселенная Эдгара По Вселенная Эдгара По

Иногда чуткие к достижениям науки писатели могут предугадывать будущее

Наука и жизнь
Как восстановить режим сна Как восстановить режим сна

Превратись из ворчливого полуночника в раннюю пташку!

Maxim
Узнай, кем станет твой ребенок, по игрушкам, в которые он играет Узнай, кем станет твой ребенок, по игрушкам, в которые он играет

То, с чем играет твой ребенок, может определить его судьбу

Maxim
Народная медицина: 5 растений, чьи полезные свойства доказаны наукой Народная медицина: 5 растений, чьи полезные свойства доказаны наукой

Самые популярные растения, которые могут положительно сказаться на здоровье

Популярная механика
Брокер или мошенник: как работают схемы с фейковыми инвестициями в акции и криптовалюты Брокер или мошенник: как работают схемы с фейковыми инвестициями в акции и криптовалюты

Как мошенники отбирают деньги, пользуясь доверчивостью россиян

Forbes
Эпоха любви: 8 лучших сериалов для тех, кто в восторге от «Бриджертонов» Эпоха любви: 8 лучших сериалов для тех, кто в восторге от «Бриджертонов»

Исторические сериалы, ничем не уступающие «Бриджертонам»

Cosmopolitan
Вы считаете себя талантливым человеком? Вопрос дня Вы считаете себя талантливым человеком? Вопрос дня

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

СНОБ
В погоне за молодостью В погоне за молодостью

Как в 50 выглядеть на 30

Добрые советы
Что приготовить из консервированного тунца, найденного в холодильнике: 8 крутых рецептов Что приготовить из консервированного тунца, найденного в холодильнике: 8 крутых рецептов

Что приготовить из тунца, консервированного в масле?

Playboy
Как порвались связи советской науки с мировой Как порвались связи советской науки с мировой

Советские ученые должны были служить только советской науке и никакой другой

Наука
8 мужских советов из XVIII века, которые актуальны и сегодня 8 мужских советов из XVIII века, которые актуальны и сегодня

Первоклассные рекомендации, который пригодятся тебе и твоему сыну

Maxim
Открыть в приложении