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

О чём поведала астролябия VP-856 и как цифровые карты помогли заглянуть в прошлое О чём поведала астролябия VP-856 и как цифровые карты помогли заглянуть в прошлое

Как ученые и путешественники делали первые карты и измеряли расстояния

Наука и жизнь
Как находить поводы для благодарности каждый день Как находить поводы для благодарности каждый день

Как найти какие-то поводы для радости и благодарности даже в трудное время

Psychologies
Новые Sonata, Haval, Granta, Sentra: на что жалуются владельцы на форумах Новые Sonata, Haval, Granta, Sentra: на что жалуются владельцы на форумах

Проблемы на свежих моделях авторынка и как их решают производители

РБК
Что делать днем, чтобы уснуть ночью, и как быть, если уснуть не получается. Советы от эксперта по тревоге Что делать днем, чтобы уснуть ночью, и как быть, если уснуть не получается. Советы от эксперта по тревоге

Проблемы, которые лишают нас сна и инструменты для борьбы с ними

Inc.
Антидепрессант остановил разрушение хрящей при остеоартрите Антидепрессант остановил разрушение хрящей при остеоартрите

Пароксетин может стать препаратом для лечения остеоартрита

N+1
Хватит мной управлять! Хватит мной управлять!

Как развить эмоциональный интеллект?

Лиза
Идеальная мужская аптечка: какие лекарства оставить, а какие скормить врагам Идеальная мужская аптечка: какие лекарства оставить, а какие скормить врагам

Даже у самого сурового мужчины дома должны быть эти лекарства

Maxim
Тайна платка с узором из земляники Тайна платка с узором из земляники

Историю любви и предательства Отелло и Дездемоны не так проста, как кажется

Вокруг света
Пчелы оценили количество объектов при помощи нечисловых параметров Пчелы оценили количество объектов при помощи нечисловых параметров

Пчелы использовали неколичественные параметры для подсчета объектов

N+1
Справляется без Джобса и не стесняется политики ради эффективности: история и главные решения Тима Кука во главе Apple Справляется без Джобса и не стесняется политики ради эффективности: история и главные решения Тима Кука во главе Apple

Как Тим Кук отточил производство до мелочей и избежал последствий торговой войны

VC.RU
«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
Самые бесполезные вещи, за которые были заплачены баснословные деньги Самые бесполезные вещи, за которые были заплачены баснословные деньги

Список идиотских и безумно дорогих покупок

Maxim
8 книг о важном: как говорить с детьми на серьезные темы 8 книг о важном: как говорить с детьми на серьезные темы

7 книг, которые помогут тебе поднять сложные темы в разговоре с ребенком

Cosmopolitan
Самый быстрорастущий дейтинг в мире: как Bumble пришел к IPO и почему непопулярен в России Самый быстрорастущий дейтинг в мире: как Bumble пришел к IPO и почему непопулярен в России

Сервис знакомств Bumble провел успешное IPO в Нью-Йорке

Forbes
Ночь в пограничном музее: виртуальная экскурсия по музею ФСБ Ночь в пограничном музее: виртуальная экскурсия по музею ФСБ

Нам удалось проникнуть в святая святых ФСБ!

Maxim
Опыт против разума: чем купоны на еду лучше контроля над ценами Опыт против разума: чем купоны на еду лучше контроля над ценами

Как помочь малоимущим без принятия вредных для экономики решений

Forbes
Свиней научили управлять курсором при помощи джойстика Свиней научили управлять курсором при помощи джойстика

Ученые научили свиней управлять курсором

N+1
Истина где-то рядом: загадочная смерть Элизы Лэм Истина где-то рядом: загадочная смерть Элизы Лэм

История гибели канадской студентки Элизы Лэм четыре года назад потрясла США

Cosmopolitan
Эскалация конфликта: как холодные гражданские войны становятся «горячими» Эскалация конфликта: как холодные гражданские войны становятся «горячими»

Почему роль насилия в российской политике возрастает

Forbes
Вселенная Эдгара По Вселенная Эдгара По

Иногда чуткие к достижениям науки писатели могут предугадывать будущее

Наука и жизнь
Два капитана Два капитана

Квартира в Санкт-Петербурге оформлена так, как будто владельцы живут на курорте

AD
Абьюз: как распознать моральное насилие и что делать Абьюз: как распознать моральное насилие и что делать

Как понять, что вы столкнулись с эмоциональным насилием в отношениях?

РБК
В другом измерении В другом измерении

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

Добрые советы
NASA показало высадку Perseverance на Марс на видео NASA показало высадку Perseverance на Марс на видео

NASA обнародовало ролик с момент приземления Perseverance на поверхность Марса

Популярная механика
Сверхкритическое состояние или умный текстиль? Сверхкритическое состояние или умный текстиль?

В Институте химии растворов им. Г. А. Крестова разрабатывают уникальный текстиль

Наука и жизнь
Новый робот борозды не испортит Новый робот борозды не испортит

В сельском хозяйстве хозяйничают роботы и все самые фантастические технологии!

Maxim
Общение с сородичами повысило выживаемость самок жирафов Общение с сородичами повысило выживаемость самок жирафов

Жизнь в группе снижает уровень стресса у самок жирафов и помогает им искать пищу

N+1
Пять пороков команды Пять пороков команды

Притчи о лидерстве

kiozk originals
Одна вокруг света: встреча с бизонами и несанкционированная ночевка в Йеллоустоуне Одна вокруг света: встреча с бизонами и несанкционированная ночевка в Йеллоустоуне

106-я серия о кругосветном путешествии москвички и ее собаки Греты

Forbes
Плачу, толстею и мерзну: 7 поводов проверить щитовидку прямо сейчас Плачу, толстею и мерзну: 7 поводов проверить щитовидку прямо сейчас

Симптомы, которые могут указывать на проблемы с щитовидной железой

Cosmopolitan
Открыть в приложении