Все знают формулу E=mc², и все слышали, что ее Эйнштейн придумал. Многие даже знают, что Е обозначает энергию, m — массу, а c — скорость света. Но что все это означает?
Если взять обычную пальчиковую батарейку из пульта от телевизора, и превратить ее в энергию, то точно такую же энергию можно получить от 250 миллиардов таких же батареек, если использовать их по-старинке. Не очень хороший получается КПД.
А то и означает, что масса и энергия — это одно и то же. То есть масса — это частный случай энергии. Энергию, заключенную в массе чего угодно, можно посчитать по этой простой формуле.
Скорость света — это очень много. Это 299 792 458 метров в секунду или, если вам так удобнее, 1 079 252 848,8 километров в час. Из-за этой большой величины получается, что если превратить чайный пакетик целиком в энергию, то этого хватит, чтобы вскипятить 350 миллиардов чайников.
У меня есть пара грамм вещества, где мне получить мою энергию?
Перевести всю массу предмета в энергию можно, только еслви вы где-нибудь найдете столько же антиматерии. А ее получить в домашних условиях , этот вариант отпадает.
Термоядерный синтез
Существует очень много природных термоядерных реакторСуществует очень много природных термоядерных реакторов, вы можете их наблюдать, просто взглянув на небо. Солнце и другие звезды — это и есть гигантские термоядерные реакторы.
Другой способ откусить от материи хоть сколько-то массы и превратить ее в энергию — это произвести термоядерный синтез. Берем два ядра водорода, сталкиваем их, получаем одно ядро гелия. Весь фокус в том, что масса двух ядер водорода немного больше, чем масса одного ядра гелия. Вот эта масса и превращается в энергию.
Но тут тоже не так все просто: ученые еще не научились поддерживать реакцию управляемого ядерного синтеза, промышленный термоядерный реактор фигурирует только в самых оптимистичных планах на середину этого столетия.
Ядерный распад
Ближе к реальности — реакция ядерного распада. Она вовсю используется в ядерных электростанциях. Это когда два больших ядра атома распадаются на два маленьких. При такой реакции масса осколков получается меньше массы ядра, пропавшая масса и уходит в энергию.
Ядерный взрыв — это тоже ядерный распад, но неуправляемый, прекрасная иллюстрация этой формулы.
Горение
Превращение массы в энергию вы можете наблюдать прямо у вас в руках. Зажгите спичку — и вот она. При некоторых химических реакциях, например, горения, выделяется энергия от потери массы. Но она очень мала по сравнению с реакцией распада ядра, и вместо ядерного взрыва у вас в руках происходит просто горение спички.
Более того, когда вы поели, еда через сложные химические реакции благодаря мизерной потере массы отдает энергию, которую вы потом используете, чтобы сыграть в настольный теннис, ну или на диване перед телеком, чтобы поднять пульт и переключить канал.
Так что, когда вы едите бутерброд, часть его массы превратится в энергию по формуле E=mc2.
В прошлых постах мы договорились строить термоядерный реактор (см. здесь). Штука получилась довольно мощная, от сотни мегаватт и выше. Как выглядят самые продвинутые на сегодня термоядерные бублики ловушки, показано в посте про токамаки (тут). Общий их смысл в том, что полностью ионизированная плазма удерживается в магнитном поле, свёрнутом в тор. Концов у тора нет, поэтому сквозь них не улетает ни вещество, ни энергия.
Если так, куда могут деться те самые сотни мегаватт?
Краткий ответ: они создают проблемы.
На рис. 1 показан схематичный токамак. Силовые линии, что начинаются внутри красной области («Core plasma»), возвращаются в неё же. Частицы на этих линиях живут долго, сталкиваются между собой, производят энергию: в общем, делают всё то, что мы хотим.
Силовые линии, идущие в жёлтой области СОЛа («SOL», scrape-off layer), через несколько оборотов утыкаются в покрашенные голубым цветом кирпичи. Всё, что здесь оказывается, быстро улетает вдоль силовых линий и поглощается стенкой [1].
Представьте себе леммингов, танцующих на вершине небоскрёба. Те, что в середине, дрейфуют от лемминга к леммингу, находят себе друзей и подруг-леммингов, выделяют тепло — и, по своим меркам, живут долго.
Стоит леммингу добраться до самого края — и он почти мгновенно, не сказав «ПИ» ни одной живой душе, уходит из системы и уносит всю энергию с собой (рис. 2, [2]).
В строящемся (самом большом) токамаке ИТЭР сборка дивертора, принимающего на себя весь поток леммингов мощности, выглядит так [3]:
И составлена из кассет. Десятитонных, больше человеческого роста.
Проблемы начинаются из-за того, что полоска леммингов у основания небоскрёба оказывается очень узкой. Частицы, покинувшие область удержания, уносятся на стенку слишком быстро и не успевают растечься слишком далеко от границы СОЛа. Для масштабов ИТЭРа сто мегаватт непрерывно вылетают в две кольцевые полоски шириной чуть больше миллиметра и длиной по сорок метров. Перемножив эти числа, можно получить плотность мощности около гигаватта на квадратный метр.
Это примерно 10000 станков для лазерной резки, нацеленных в одну точку. Материала, который бы выстоял под такой нагрузкой, не существует.
Чтобы дать стенке какой-то шанс, её наклоняют под острым углом к набегающему потоку. Это позволяет подставить под падающих леммингов в тридцать раз бо́льшую площадь, и настолько же снизить удельную нагрузку (на рисунке: пункты 3 и 7, встречающие красный поток [4]):
Чтобы как-то размыть узкую полоску леммингов, перед стенкой можно создать завесу из газа. Плазма, сталкиваясь с газом, излучит часть энергии в свете, который будет прогревать камеру более-менее равномерно. И — что полезно — поток плазмы сдует газ обратно к стенке, не дав ему добраться до центральной области удержания. Лемминги на вершине небоскрёба не пострадают. На фотографии углерод высвечивает энергию перед стенкой токамака TCV [5]:
Прочие геометрические ухищрения и частично обоснованные надежды позволяют говорить о потоке мощности в духе 10 МВт/м². Это сто лазерных резаков в каждой точке, но с этим уже можно как-то пытаться жить.
Материалов, достаточно тугоплавких для приёма такой мощности, мало. Тугоплавких материалов, мало-мальски пристойно ведущих себя в интенсивном нейтронном излучении и при наличии радиоактивного трития, ещё меньше. По большому счёту, список сужается до одного вольфрама (про него подробно рассказал многоуважаемый @Mircenall).
Вольфрам, волчара, мог бы вынести такие нагрузки, если бы ими всё ограничивалось. Но токамаки с транспортными барьерами (см. подпорные стенки в четвёртом посте) любят за миллисекунду выполнять секундную норму поставки энергии в дивертор. Такие события называются ЭЛМами (ELM, edge-localized mode). Если на пальцах — подпорная стенка ненадолго проседает, и всё, что было над ней насыпано, вылетает наружу. Во всё те же два тонких колечка.
Борьба с ЭЛМами — одна из наиболее активно решаемых сейчас задач. Потому что нагрузка, эквивалентная ЭЛМу, делает с чертовски тугоплавким и чертовски высококипящим вольфрамом вот такое [6]:
Да, это разлетаются капли закипевшего вольфрама. Вот ещё:
Даже если тепловая нагрузка будет не настолько высокой, и поверхность вольфрама не расплавится, тепловой удар с быстрым нагревом и охлаждением приводит к трещинам на поверхности [7]:
А уже края трещин, оторванные от металла, перегреваются и плавятся.
Ситуация выходит довольно напряжённой. Чтобы вольфрамовые плазмоприёмные пластины ИТЭРа работали без разрушений, за ближайшие 10 лет нужно научить токамак не плеваться энергией и выдавать спокойный широкий поток плазмы. Использовать получится только те режимы, где крупных ЭЛМов действительно не будет. Другими словами,
Есть другой выход.
Ваша стенка не расплавится, если она уже расплавлена. Поверхность можно покрыть легкоплавким, но тяжелоиспаряемым металлом. Например, литием (привет токамаку Т-11М). В повреждённые импульсной нагрузкой места литий затечёт сам. Можно лить по твёрдой стенке тонкую плёнку, можно пропитывать литием вольфрамовую вату [8]:
Литий создаёт свои проблемы, от него сложно избавиться, если он попал в плазму...
Завершена сборка центрального элемента новейшей лазерной установки. Об этом заявили в пресс-службе Российского федерального ядерного центра – ВНИИЭФ. Созданный аппарат не имеет аналогов во всем мире, а мощность его импульса превосходит таковую у существующих ныне установок в 1,5 раза
Российская разработка, кроме мощности, имеет еще одно важное преимущество. По словам С. Гаранина – академика РАН, директора лазерно-физических исследований Российского федерального ядерного центра – ВНИИЭФ, созданный учеными лазер имеет конструктивную особенность, позволяющую применять ее в экспериментах с термоядерной мишенью. В отличие от американского аналога NIF, который не может обеспечить требуемый уровень однородности облучения центральной капсулы, российская камера взаимодействия, благодаря своей сферической симметрии, имеет все шансы стать первой в данной отрасли. Внешне новейший лазер напоминает огромную сферу диаметром 10 метров и весом 120 тонн. На данный момент исследователи уже приступили к испытаниям систем первого модуля устройства. Запуск аппарата намечен на конец текущего года, а в 2022 году установку планируют ввести в эксплуатацию.
К мишени нижегородского лазера будет подводиться в полтора раза больше импульсной энергии, чем у самой мощной лазерной установки мира — NIF из США. Высота камеры составляет 32 метра. В основном здании РФЯЦ планируют проводить эксперименты по управляемому инерциальному термоядерному синтезу.
Внешне новейший лазер напоминает огромную сферу диаметром 10 метров и весом 120 тонн. Всего за 14 месяцев с использованием уникальной технологии сварки произведен монтаж сферы и ее раскрой под контролем прецизионного геодезического оборудования для размещения систем ввода излучения, технологических систем и диагностического измерительного оборудования. Толщина стенки камеры из алюминиевого сплава составляет 100 мм. Всего на поверхности сферы располагаются более 100 портов. О точности произведенных операций свидетельствуют следующие цифры: максимальное отличие формы камеры от сферы составляет менее 5 мм, а оси всех портов имеют отклонение от её центра менее 1 мм.
«До сих пор никто в мире не смог в лаборатории зажечь термоядерную мишень. Эксперименты, которые были проведены на установке NIF, показали, что система облучения не может обеспечить необходимую однородность облучения центральной капсулы. Наша система облучения иная, она уже практически сферически симметрична. Имея предыдущий опыт экспериментов, у нас есть все шансы добиться желаемого («ажигания» термоядерных реакций в мишенях) первыми в мире», — отметил директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ академик РАН Сергей Гаранин.
Высота здания для лазерной установки — 32 метра, с десятиэтажный дом.
Что известно об американской лазерной установке NIF Комплекс National Ignition Facility — «Национальное Зажигательное Оборудование» в Ливерморской лаборатории имени Лоуренса (США) обеспечивает проведение экспериментов с инерционным термоядерным синтезом. Место, где должен происходить термоядерный микровзрыв, называется немецким словом hohlraum. Золотая камера, которая должна обеспечить равномерный нагрев термоядерной таблетки электромагнитной энергией, излучаемой стенками. Нечто подобное с тем же названием и для того же самого имеет «водородная» бомба. Только большего размера, а источником фотонов служит рентгеновское излучение от первичного ядерного взрыва, проникающее в hohlraum через радиационный канал (interstage).
Расчетный выход микровзрыва может достигнуть 20 МДж, что эквивалентно 5 кг тротила. Формально имеет место эффективный, управляемый, инерционный, термоядерный синтез. Фактически, с учетом КПД лазерной системы не больше 1%, такая технология не приведет к практическому источнику энергии. Только для зарядки конденсаторов, питающих лазерные усилители, требуется 420 МДж. Через два входных отверстия внутренность золотой камеры освещают 192 ультрафиолетовых лазерных луча с общей мощностью до 500 Тераватт. В течении 3 — 5 наносекунд туда поступает 2 — 4 МДж энергии, которая должна переизлучаться стенками в рентгеновском диапазоне. Термоядерная таблетка содержит 15 микрограмм дейтерия и трития при температуре 18 К, а также закаченный во внутреннюю полость газ. Капсула имеет сферическую оболочку диаметром 2 мм. Ее аблирующее покрытие может быть выполнено из бериллия или имеет композитную структуру на основе полиэтилена. Оно поглощает до 100 КДж энергии, результатом чего является радиационная имплозия капсулы. Плотность вещества достигает 1000 г/куб.см, а температура дейтерий-тритиевой начинки поднимается до сотни миллионов градусов.
Схема здания лазерного комплекса установки NIF (штат Калифорния, США).
На установке NIF американцы осуществляют термоядерный синтез по схеме 2H + 3H = 4He + n, самой легкоосуществимой из термоядерных реакций. Её энергетический выход составляет 17,6 МэВ.
Если вы путешествовали по странам Скандинавии или по США, вы могли обратить внимание, что большие амбары преимущественно красят в красный цвет. Есть даже такой вопрос, популярный в местных интеллектуальных шоу – почему именно в красный. Ответ прост – потому, что красная краска дешевле всех остальных. Но вот почему именно красный пигмент оказывается дешевле?
В экономике обычно дешевле то, что есть в изобилии, и то, что легче произвести. Один из работников Google, Йонатан Зангер, в своём блоге решил рассказать, почему красная краска стоит дешевле. Оказывается, потому, что так устроена физика умирающих звёзд.
Изначально звезда формируется из большого количества водорода, который, сжимаясь под действием гравитации, запускает реакцию синтеза. Соединяясь, ядра атомов образуют всё более и более тяжёлые элементы, выделяя при этом энергию. Сначала из водорода образуется гелий.
Когда гелия становится всё больше, а водорода всё меньше, звезда теряет энергию и постепенно сжимается, поскольку звезду от гравитационного коллапса удерживает только энергия реакций синтеза. Но при сжатии увеличивается давление, а из-за этого и температура, и в какой-то момент температура достигает уровня, когда возможна уже реакция следующего уровня. Начинается синтез более тяжёлых элементов, по порядку таблицы Менделеева.
И так этот цикл повторяется, пока синтез не дойдёт до элемента с массовым числом 56 (суммарное количество протонов и нейтронов в ядре). После этого реакция синтеза становится невыгодной, поскольку энергия на создание более тяжёлых элементов превышает энергию, которая выделяется при синтезе. Поэтому звезда на этом рубеже просто коллапсирует.
Небольшая звезда после этого тихонько остывает, превращаясь в белого карлика. Но большая звезда, достаточно быстро сжимаясь, создаёт ударные волны, которые отражаются от ядра и возвращаются обратно, преодолевают гравитацию и разрывают звезду на части. Сверхновая разбрасывает вокруг себя примерно треть своей массы, и это вещество состоит из атомов тяжелее гелия с водородом. Из этих останков формируются как другие звёзды, так и солнечные системы – астероиды и планеты.
Получается, что большую часть материала, разбрасываемого звездой, из которого формируются планеты и всё остальное, составляет элемент с массовым числом 56. Стабильный элемент с таким числом нуклонов, а именно 26 протонов и 30 нейтронов — это железо. Это самый распространённый элемент во вселенной, тяжелее неона.
Именно поэтому земная кора содержит в себе 6% железа и 30% кислорода (третьего по распространённости элемента). Железо с удовольствием соединяется с кислородом, образуя оксид железа Fe2O3 — он же гематит, он же красная охра. Он поглощает жёлтый, зелёный и синий цвета, поэтому выглядит как оранжевато-красный. Красную охру в изобилии находят в земле, добывают, и используют как пигмент для изготовления краски.
Поэтому амбары преимущественно красят в красный цвет.
Набор постов о термояде будет заведомо неполным без рассказа про токамаки. Ну, как минимум, ссылка на 500-страничные «Физические основы» [1] оправдает наличие четвёртой части у «пары слов».
Общие задачи управляемого термоядерного синтеза были в первом посте, открытые ловушки — во втором. В тех постах был упомянут момент, с которого стоит начать этот пост: термоядерное топливо существует в виде полностью ионизированной плазмы, которая удерживается магнитным полем. Магнитное поле не даёт плазме уходить поперёк силовых линий, а вдоль них плазма растекается достаточно свободно. Идея свернуть магнитное поле в тор, чтобы плазма могла течь куда хочет и не теряться, возникла достаточно быстро. Концов у бублика нет, вытекать некуда. В салфеточном представлении авторов [2] это выглядело примерно так, по тороидальной обмотке течёт ток, силовые линии обходят тор по большому радиусу:
Были и другие салфетки, на которых силовые линии и ток менялись местами. Кольцевой ток обжимал сам себя своим магнитным полем, изолируясь от стенки. Такая салфетка имеет своё название — тороидальный пинч. Начиналось всё с таких железок (рука британского учёного Питера Тонеманна для масштаба) [3]:
Здесь для масштаба другой британский учёный, Джеймс Так, в американском Лос-Аламосе [4]. Бублик с плазмой светится малиновым:
И та, и другая идея в чистом виде имеют общую проблему: они не работают. Пинч (не только тороидальный) неустойчив: ток пытается увеличить любой маленький изгиб плазменного шнура. Ситуация напоминает лёгкую жидкость, налитую поверх тяжёлой; или перегруженную колонну. Вот эта картинка со звездой вместо круга стала классической иллюстрацией неустойчивости шнура:
В тороидальном поле проблема другая: чем дальше от центра, тем слабее поле. В такой конфигурации электроны дрейфуют вверх, ионы — вниз, возникает вертикальное электрическое поле, которое (за счёт дрейфа — см. картинку 1 во второй части) выталкивает плазму наружу.
Удача состоит в том, что комбинация двух методов решает обе проблемы (а не страдает от обеих сразу). Тороидальное поле стабилизирует неустойчивость тороидального тока: чтобы изогнуться, ему нужно «растянуть» силовые линии. Тороидальный ток закручивает силовые линии вокруг бублика, струйка плазмы часть времени проводит на внешней поверхности тора, а часть — на внутренней; действие спадающего магнитного поля внутри и снаружи компенсируется.
Осталось добавить вертикальное магнитное поле, которое не даст бублику изменить свой радиус (катушками или — для импульсной работы — проводящей стенкой), и получится классический токамак [5]:
Всё это называют вращательным преобразованием. Вот здесь плазма токамака MAST с помощью маленькой неустойчивости демонстрирует, как идут силовые линии магнитного поля [6]:
Подобное сочетание оказалось весьма удачным. В результате токамак Т-3 оказался первой машиной, на которой плазму нагрели до 1 кэВ (10 млн градусов) и удерживали 1/100 секунды. Результат был настолько неожиданным для 1968-го года (характерные цифры, о которых говорили до того момента, были ниже, как минимум, на порядок), что сообщество сходу не поверило. В ответ на все подозрения Арцимович (академик) и Кадомцев (чл-корр, позднее тоже академик) предложили всем желающим приехать и померить своими руками. Приехала команда из Британии с пятью тоннами лазерного оборудования. Измерила, с большими глазами села на телефон и долго инструктировала коллег, как переделать оставшийся в Калхэме стелларатор C в токамак.
Вскоре после этого момента работы по токамакам становятся более активными, чем вся остальная термоядерная деятельность вместе взятая.
В посте про открытые ловушки был шарж на команду британских учёных, здесь будет хорошо добавить к нему фотографию.
Майк Форрест юстирует британский термометр в Курчатовском институте:
Всё это счастье устойчиво при определённых (довольно широких, впрочем) соотношениях тока по шнуру, тороидального поля, плотности и давления плазмы. Слишком высокая плотность («предел Гринвальда»), слишком высокое давление плазмы («предел по нормализованному \beta») или избыточный ток («предел по запасу устойчивости») приводят к тому, что шнур сворачивается в непотребную фигуру и гибнет на стенке вакуумной камеры. Слишком низкая плотность плазмы тоже не годится: «сила трения» электронов о плазму становится слишком низкой, они разгоняются до больших (по сравнению с температурой) энергий и начинают плавить стенки.
Так или иначе, область, где всё работает хорошо, есть.
Рисунок: рентгеновское излучение со стенки токамака Alcator от попавших в неё убегающих электронов. [8]
При всей удачности тороидального поля для устранения продольных потерь, потоки тепла и частиц поперёк магнитного поля в такой системе на порядок выше, чем в прямом магнитном поле. В ситуации виноваты бананы и турбулентность.
Частица, которая летит с внешней поверхности тора на внутреннюю, видит, как увеличивается магнитное поле. Для неё ситуация похожа на классическую открытую ловушку (см. рис. 3 из части про открытые ловушки). Если поперечная скорость велика, а продольная — не очень, она может отразиться и полететь назад, не попадая на внутренний обход. Траектория оказывается вот такой, похожей в проекции на банан:
Частицы, сталкиваясь, смещаются не на диаметр спиральки, по которой они крутятся вокруг силовой линии, а на размер банана. Он больше, поэтому и перенос ионов больше.
Теплопроводность электронов определяется турбулентностью — чем сильнее болтает электромагнитные поля в плазме, тем чаще рассеиваются электроны, тем больше они переносят энергии.
Поперечная теплопроводность настраивается сама собой. Это приводит к тому, что все поперечные профили давления и температуры в разных токамаках похожи друг на друга — различия определяются только разным соотношением размеров и полей в бублике. На картинке — 8 разных токамаков, один и тот же колокольчик.
Здесь есть простая аналогия. Все кучи одинакового песка, независимо от размера, похожи друг на друга. Угол, под которым насыпан песок, не может быть больше определённого: как только склон становится слишком крутым, песок начинает осыпаться; и осыпается, пока склон не станет ровным. Если долго сыпать песок в одну точку, куча будет расти, но крутизна склона останется постоянной начиная от нескольких десятков песчинок и заканчивая БелАЗом.
Кучу песка можно сделать повыше, поставив подпорную стенку. В плазме такое тоже можно сделать, если в определённой области внешние слои будут вращаться быстрее внутренних. Быстрое проскальзывание внешних слоёв нарушает связь колебаний в них, турбулентный перенос снижается, склон становится круче. Режим без транспортных барьеров традиционно называется L-модой, с «подпорными стенками» — H-модой [9]. В H-моде запасается примерно вдвое больше энергии, и они тоже похожи в разных машинах.
Всё это приводит к тому, что параметры плазмы в токамаках хорошо предсказуемы. Две сотни токамаков набрали достаточно экспериментальных данных, чтобы предсказывать изменение температуры или времени жизни плазмы при увеличении размера бублика или мощности нагрева вдвое или в десять раз. Предсказание записывается в виде эмпирической формулы со странными коэффициентами (например, время жизни растёт как большой радиус в степени 1.97), но работает весьма хорошо:
Примерно так протягивается связь данных с токамаков в несколько разных масштабах [10]:
Т-3 здесь нужно показать крупнее:
Вид изнутри токамака DIII-D, одного из самых крупных действующих. Здесь уже человек целиком помещается внутри, и неплохо там себя чувствует.
Горячий привет команде Глобуса-М2, если кто читает. =)
Хотел здесь же добавить рассказ о стеллараторах и о том, как жить, если вам в стенку высаживается несколько сот мегаватт; но в лимит уже не входит. Придётся выносить отдельным постом. %)
Предыдущий пост собрал уйму подписчиков. Попробую снова нарушить планы зашедших сюда подеградировать; тем более, в нём был фактически анонсирован рассказ о линейных ловушках.
Надеюсь, найдутся сильные духом люди, способные дочитать этот пост до конца.
Итак, мы хотим удерживать плазму температурой 100 миллионов градусов (10 кэВ) достаточно долго для того, чтобы термоядерное топливо успело прореагировать. Мы знаем, что плазма состоит из заряженных частиц, которые в магнитном поле движутся по спирали, навитой на силовую линию. Движение выглядит примерно так (направление магнитного поля показано стрелкой с буквой B, здесь ещё добавлено электрическое поле E):
Gifx
Сила, действующая на заряженную частицу, перпендикулярна направлению магнитного поля и направлению движения частицы. Там, где поле усиливается, силовые линии сближаются, поэтому перпендикуляр к ним слегка наклонён в сторону более слабого поля. То есть, приближение к области сильного поля тормозит частицу. Торможение тем сильнее, чем выше компонента скорости, направленная поперёк магнитного поля.
В итоге области сильного поля отражает частицы с достаточно высокой поперечной и достаточно низкой продольной скоростью. Частицы, летящие под небольшим углом к магнитному полю, вылетают наружу и теряются.
Схема проста, как бабушкин топор, в предельном случае требует двух круглых катушек с током.
После столкновений частицы летят в среднем куда придётся; в том числе и вдоль силовых линий. Чтобы рассеяние случалось пореже, и частиц терялось поменьше, исходно предлагалось удерживать достаточно редкую плазму.
Такая (и только такая!) конфигурация называется пробкотроном (или простым пробкотроном, или пробкотроном Будкера-Поста по фамилиям тех, кто её исходно предложил); области сильного магнитного поля — пробками; соотношение самого слабого и самого сильного магнитного поля — пробочным отношением; область в пространстве скоростей, в которой частицы не удерживаются — конусом потерь.
Идея пробкотрона родом из 50-х годов, и тогда же в первый раз была проверена (прим.: работает). Найти в доступных источниках фотографию первой советской установки, на которой была показана работоспособность пробкотрона (ловушки Родионова, [5]), не получается. Поэтому пусть здесь будут фотографии установок ОГРА (1959 год, Институт атомной энергии, сегодня — Курчатовский) и Ц-1 (1963 год, Институт ядерной физики, сегодня — имени Будкера).
NB: примерно в это же время эксперименты с пробкотроном провернули в Ливерморской лаборатории. Фотография есть тут. Авторы друг о друге не знали, об этом есть замечательная приписка от редакции в конце статьи:
Как нам стало известно, аналогичные эксперименты проводились Гибсоном и Лауэром. Подробности работы не опубликованы.
В простом пробкотроне, впрочем, был обнаружен ряд проблем. Во-первых, хорошо удерживаются в нём одиночные частицы. Плазма из большого числа частиц ведёт себя в нём подобно леммингам из легенд о леммингах: перестаёт быть круглой в сечении, выбрасывается на стенку и погибает. Эту проблему потребовала небольшого усложнения в духе подобной конфигурации (на рисунке катушки с геометрией «инь-ян»). Плазма не будет искривляться, если она заранее искривлена нужным образом:
Вторая проблема: пустой конус потерь вызывает в плазме раскачку волн, которые рассеивают частицы и помогают им потеряться.
А самое неприятное — нельзя одновременно потребовать, чтобы частицы сталкивались достаточно редко (и не рассеивались) и достаточно часто (для термоядерной реакции). Даже в идеальном простом пробкотроне мощность термоядерной реакции оказывается всего вдвое больше, чем требуемая мощность нагрева. Кроме того, стабильные геометрии (инь-ян и ему подобные) приводили к повышенным поперечным потерям.
Все эти проблемы накопились как раз к тому моменту, когда на токамаках показали температуру 1 кэВ (10 млн градусов).
Рисунок исторический: британские учёные по приглашению (тогда ещё не академика, а член-корреспондента) Б. Б. Кадомцева едут в Москву измерять электронную температуру плазмы в токамаке Т-3 [6]:
Модными стали токамаки. Кто-то забросил открытоловушечную деятельность, кто-то остался придумывать, как поправить эти проблемы.
Базовые методы улучшенного удержания были придуманы в 70-х и проверены в районе 80-х. Они проиллюстрированы на следующем рисунке [7] (да простят меня модераторы):
Что забавно, на этой картинке уже забыт один из методов. Суть его в том, чтобы раскрутить плазменный шнур до скоростей выше тепловой скорости частиц и скорости распространения возмущений магнитного поля. В этом случае центробежная «сила» не даёт плазме ни потерять круглую форму (возмущение растёт медленнее, чем замазывается вращением), ни уйти к пробкам (радиус плазменного шнура в них меньше!).
На фотографии — установка ПСП-2, на которой более или менее было показано центробежное удержание.
Следующий вариант был чертовски изящен. Электроны легче ионов, и поэтому из плазмы теряются быстрее. Любая плазма, если с ней ничего специально не делают, заряжается положительно; и потенциал (называемый амбиполярным) тем выше, чем горячее электроны. Можно построить одну длинную линейную ловушку, с каждой стороны к ней пристыковать по маленькому пробкотрону, а электроны в концевых пробкотронах перегреть. Концевые секции зарядятся положительно, ионы не смогут в них залететь, а значит, и не потеряются.
Образно говоря, по краям плазмы бульдозером нагребаются две больших кучи снега, через которые ничего потеряться не может. Чем больше соотношение длин центральной секции и концевых пробкотронов, тем сильнее нам наплевать на потери перегретых электронов из них.
В качестве примера — кажется, первая амбиполярная ловушка Gamma-6 (г. Цукуба, Япония):
Единственная проблема амбиполярных ловушек — феерическая невезучесть. Нагляднее всего будет пример установки MFTF-B, которая была построена (330 миллионов долларов в ценах 80-х годов, на минуточку), сдана и на следующий день по политическим мотивам закрыта. На установке произведено 0 (ноль) экспериментальных выстрелов, что даёт абсолютный рекорд удельной стоимости секунды эксперимента.
На этом фоне установка АМБАЛ (не достроена до конца и не доведена до ума из-за 90-х) требует упоминания исключительно за стильность названия.
Следующий метод — многопробочное удержание. В нём в цепочку выстраивается не три пробкотрона, а столько, сколько влезет в зал. Внутрь запускается плазма такой плотности, чтобы ион рассеивался на расстоянии, примерно равном расстоянию между соседними пробками. Частица, вылетающая из области удержания, может захватиться отдельным пробкотроном, поболтаться от пробки к пробке и снова рассеяться в произвольном направлении. Тем, кому приходилось учить мат.статистику, эта задача известна как задача о пьяном матросе: время, которое матросу частице потребуется на путь от начала ловушки до её конца, квадратично растёт с ростом длины. Делаем ловушку в десять раз длиннее, а удержание улучшается в сто раз.
На иллюстрации синей и зелёной линиями в пэйнте показаны траектории частиц [9].
Эксперименты показали, что дела обстоят даже лучше, чем в исходной идее. Любая возникающая в плазме волна рассеивает частицы. Только теперь это приводит не к увеличенным потерям, как в простых пробкотронах, стеллараторах или токамаках, а к улучшению удержания: длина свободного пробега частиц за счёт рассеяния автоматически подгоняется к расстоянию между пробками, и метод работает даже при таких плотностях, при которых он этого делать не должен.
Для иллюстрации первые гофрированные (многопробочные) ловушки ЩЕГОЛ и ГОЛ-1.
Занятный факт, который ещё всплывёт к концу поста: одновременно с многопробочным удержанием было предложено двигать пробки, чтобы тащить захваченные частицы обратно к области удержания. Это выглядит как эскалатор, который едет навстречу потоку людей: наружу выйдут только самые везучие и подготовленные. Об этом был написан один абзац ровно. Видимо, после этого авторы посчитали, сколько мощности надо для создания бегущих пробок, получили что-то в духе 20 или 100 ГВт и задвинули идею куда подальше.
Пруф:
Последний из старых методов улучшенного удержания в линейных ловушках — газодинамический. Если в классический пробкотрон набить побольше частиц, чтобы они сталкивались раньше, чем долетают до пробки, то попадание в конус потерь не будет означать, собственно, потерь. Ситуацию можно сравнить со станцией метро в час пик: человек в центре станции, может, и хочет выйти наружу, но ему бы ещё до эскалатора добраться. Если длина перрона — километр, то он плюнет и поедет обратно на работу.
В такой плазме может жить без неустойчивостей популяция быстрых ионов с энергиями около 10 кэВ, которые и будут вступать в термоядерную реакцию с ионами плазмы. Время удержания линейно растёт с ростом пробочного отношения.
Пока что в мире построена одна ловушка газодинамического типа (называется, собственно, газодинамической ловушкой, сокращённо ГДЛ). На фотографиях — её вид в 1988 и 2018 году. Кое-что добавилось.
ГДЛ показала более хорошее удержание, чем закладывалось в её проект. Этот путь был долгим. Первой проблемой была устойчивость, уже упомянутая в абзаце о леммингах.
Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 100 электронвольт из-за проблем с МГД-устойчивостью и продольной теплопроводностью.
С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, где-то в начале 90-х.
.
Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 300 электронвольт из-за проблем с МГД-устойчивостью и продольной теплопроводностью.
С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, где-то в конце 90-х.
По очереди было найдено несколько методов стабилизации. Самый качественный из них напомнит читателю об экспериментах с вращающейся плазмой: если внешний слой плазмы вращается быстрее внутренних, любой всплывающий плазменный пузырь будет размазан в симметричную относительно оси трубу. Труба уже никуда не денется.
Метод был назван вихревым удержанием. 400 эВ на ГДЛ были получены лет десять назад.
Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 1 килоэлектронвольта из-за проблем с продольной теплопроводностью.
С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, 2010 и некоторые другие годы.
Другой проблемой было то, что плазма вдоль силовых линий очень хорошо проводит тепло. Сложно греть штуку с теплопроводностью меди, которая двумя концами упирается в холодную массивную железку. На установках линейки ГОЛ проблема решалась возбуждением сильно турбулентнах колебаний электронов вокруг ионов. Аналогия — пожар в сумасшедшем доме: пока доктор электрон выйдет наружу и вынесет энергию, он столько раз столкнётся с бегающими куда попало людьми электромагнитными полями, что этот факт будет уже не важен. Пожарный холодный электрон же внутрь попасть не сможет — всё занято. Была мысль сделать так же на ГДЛ, и этот эксперимент когда-нибудь будет сделан, но всё оказалось гораздо проще.
Теплопроводность пропадает в той точке, где поле уменьшается в ~40 раз (если быть точнее, в корень из соотношения масс иона и электрона). Температура расширяющегося в пустоту потока плазмы падает. Амбиполярный потенциал становится меньше (вспоминаем перегретые электроны в АМБАЛе), и это создаёт потенциальный барьер для электронов. Возникают те же снеговые кучи, через которые никто никакую энергию не переносит.
Должная степень расширения и сравнительно маломощный СВЧ-нагрев позволили в 2016 году получить на ГДЛ 1 кэВ.
К этому моменту уже было предложено собрать все фишки газодинамического и многопробочного удержания, добавить к центру ГДЛьного типа гофрированные секции и тем самым повысить качество удержания раз в 10. Если DT-реактор на основе обычного ГДЛ должен быть длиной 1–3 км, то ГДЛ+многопробки — уже разумные 100–300 м. Схема такой ловушки идёт в прошлом посте десятым рисунком. Чтобы не приходилось листать, продублирую:
Помимо того, было предложено ещё два метода: винтовое и диамагнитное удержание.
Винтовое напоминает, с одной стороны, идею с движущимися пробками из 70-х. С другой — мясорубку.
Многопробочное поле стоит на месте, но пробки смещены по винту. Плазма, вращаясь, вкручивается в этот винт и движется туда, куда нужно. Из её системы отсчёта кажется, что движутся сами пробки, нам остаётся только крутить.
Суть диамагнитного в том, чтобы надуть пузырь из плазмы. Для этого нужно, чтобы её давление приблизилось к давлению магнитного поля. Поле будет почти полностью вытеснено из пузыря, минимальное поле уменьшится, максимальное останется тем же — то есть, пробочное отношение вырастет. А с ним и время удержания [10].
Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек, поскольку они не имеют преимуществ перед токамаками.
С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, 2018 год.
Всё это вместе даёт шанс уложить DD-реактор в сотню-другую метров.
Собирая вместе все аналогии, получается следующее:
Длинная станция метро в час пик, заполненная пьяными пассажирами. Все эскалаторы едут сверху вниз. На выходе с эскалаторов работают бульдозеры. Никто никуда не уходит.
Токамак для DD-реакции имеет схожие размеры: диаметр «бублика» для него должен быть примерно 60-метровым. И тут есть нюанс.
Линейная ловушка длиной 100 метров собирается из отдельных «бочек», выстроенных в ряд. Самая большая из них по сегодняшним представлениям должна иметь диаметр 4–5 метров вместе с криостатом и длину, допустим, метров десять или пятнадцать.
Отдельные катушки токамака уже сегодня нельзя перевезти разумным транспортом, нужно строить рядом с будущим токамаком цех и наматывать их там [11]:
Примерно поэтому мы и утверждаем, что DD-реактор нужно делать линейным.
В следующей серии: как собрать свою маленькую плазменную установку (шесть метров длиной, три тонны массой), если есть достаточно нервов и большой грант РНФ.
«Ещё в 1958 году на II Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве казалось, что до осуществления термоядерного синтеза рукой подать — нужно пройти небольшой путь между двумя точками; потом оказалось, что надо не пройти, а проехать на велосипеде; потом — что проехать на велосипеде, но по канату; потом оказалось, что велосипед одноколёсный; потом — что ехать нужно с завязанными глазами; и наконец — что ехать необходимо задом наперёд».
Л. А. Арцимович
Два поста на тему управляемого термоядерного синтеза, опубликованных за два дня, не оставляют мне выбора. Придётся писать третий, чтобы, по возможности, сделать непонятные моменты понятными.
Вопрос, который всегда задают одним из первых — зачем это всё нужно. Долгая история термоядерных исследований, на каждом шагу которой казалось, будто бы крутить педали осталось совсем чуть-чуть (см. эпиграф), многих сделала скептиками.
Проблема в том, что деваться нам всем всё равно некуда.
На рисунке 1 — прогноз потребления энергии (для всех нужд — электричество, транспорт, отопление и т.д.) на сто лет вперёд. Широкой тёмно-зелёной полосой в нём обозначены новые источники энергии. Кто-то полностью закрашивает эту полоску солнечной энергетикой, кто-то предлагает ядерные реакторы с замкнутым топливным циклом.
Наиболее корректным, впрочем, будет сказать, что никто толком не знает, чем закрывать эту дырку после 2060 года. Чем больше способов выработки энергии будет проверено, тем больше шансов, что какой-нибудь из них сработает и позволит закрыть недостачу, сравнимую с половиной всей сегодняшней генерации.
Теперь о том, почему и как это работает.
Протоны и нейтроны в ядре «склеены» сильным взаимодействием. Разницу между энергиями покоя отдельных протонов и нейтронов и собранного из них атомного ядра мы можем забрать себе. Насколько она велика, показано на рисунке 2. Здесь можно обратить внимание на две вещи:
— все хотят стать никелем;
— делать 4He выгодно для получения энергии, он лежит намного выше всех своих соседей.
Топливо для термоядерных реакций можно найти вблизи от гелия. На следующем рисунке перечислены термоядерные реакции, наиболее полезные в жизни котика обычного человека. Большая часть из них — термоядерные реакции в звёздах. Ещё несколько (с 6Li) были использованы, чтобы показать возможность термоядерного синтеза на земле (рисунок 3, [2]).
В то же время, ядра заряжены положительно и поэтому отталкиваются электростатически. Это можно представить себе как горку, которую надо преодолеть (или сквозь которую нужно туннелировать), чтобы упасть в яму и в ней выделить энергию [3].
То есть, вещество нужно нагреть, чтобы ядра двигались быстро и могли вступить в реакцию. Для наиболее простой реакции D+T эта температура составляет 10 кэВ (а лучше 30). В человеческих единицах это чуть больше 100 миллионов градусов; любое вещество при этом будет полностью ионизированной плазмой.
D+T топливо легче всего зажигать, но 80% энергии термоядерной реакции уносится нейтронами, которые греют, активируют и разрушают конструкцию реактора и не греют плазму. Кроме того, тритий — на редкость неприятное в плане безопасности использования вещество.
Реакция D+D оставляет больше энергии в плазме и не требует опасных материалов, но безнейтронной не является. У неё есть два почти равновероятных канала:
D+D→n+3He (есть нейтрон!)
D+D→p+T, при этом тритий сразу же вступает в реакцию D+T→4He+n (есть второй нейтрон!)
С топливом D+3He почти можно избавиться от нейтронов. Почти — потому что дейтерий будет реагировать не только с гелием, но и с другим дейтерием. С нейтронным выходом из прошлого абзаца. От нейтронов спасёт только топливная смесь, в которой бо́льшая часть — гелий, к которому добавлена малая примесь дейтерия.
Кроме того, плазма должна пробыть горячей достаточно долго, чтобы ядра успели встретиться и прореагировать (фактически, здесь работает произведение концентрации частиц на время удержания). К примеру, для D+T плазмы с давлением 3 атмосферы необходимое время удержания составляет полсекунды.
Тем самым, у нас есть две задачи: нагреть и удержать.
Можно попробовать сжать вещество до таких концентраций, чтобы необходимое время удержания было мало и плазма просто не успевала никуда разлететься. Подобный способ называется инерционным удержанием. В целом, термоядерная бомба работает именно так. В приложении к управляемому синтезу нагрев и сжатие осуществляется за счёт облучения полусантиметровой мишени 192 эпически мощными лазерами [4]. Основная проблема при использовании этого метода для энергетики в том, что стрелять по мишеням нужно 100 раз в секунду с выделением нескольких МДж, а можно только дважды в день и несколько десятков кДж. Военные о таких мелочах не беспокоятся и просто моделируют на установках инерциального синтеза бомбы.
Другой вариант — поместить плазму в магнитное поле. Плазма не может вытечь поперёк магнитных силовых линий слишком быстро. Если же магнитное поле замкнуть в «бублик», то и вдоль силовых линий она никуда не улетит. Получится тороидальная магнитная ловушка.
Впрочем, просто поставить несколько катушек кольцом мы не сможем. Величина магнитного поля возле «дырки от бублика» в этом случае выше, чем на его внешнем краю. Плазма (будучи диамагнетиком) из магнитного поля выталкивается, поэтому для равновесия частицы должны часть времени проводить возле «дырки», а часть — снаружи. То есть, силовые линии должны «навиваться на бублик» (чёрные стрелки на левом рисунке, зелёная линия на правом). Сделать это можно или разогнав по плазменному шнуру ток (токамаки), или сделав внешние катушки упоротой тщательно оптимизированной геометрии (стеллараторы).
Строящийся сейчас во Франции ITER является именно токамаком. Стоит как авианосец, для постройки потребовал создания отдельных отраслей промышленности в отдельных странах. В целом, токамаки на сегодняшний день сильнее всех продвинулись в сторону термоядерной энергии.
Самым крупным на сегодня стелларатором является Wendelstein-7X. О нём был подробный пост [6], поэтому приведу только картинку.
Есть другая возможность — создать магнитное поле, симметричное относительно прямой или почти прямой оси. Получится открытая (или линейная) магнитная ловушка. Плазма будет вылетать из двух концов, но эти потоки можно тем или иным способом подавить (об этом я могу написать пост не меньших размеров, поэтому пока не буду вдаваться в подробности). До недавнего времени существовало более-менее обоснованное мнение, что с их помощью нельзя получить температур выше нескольких сот эВ (нескольких миллионов градусов). Не так давно, впрочем, было показано, что можно получить и больше. Плюсы такой концепции — в большей технологичности и лучшей масштабируемости (в первую очередь, в область топлив без трития).
Теперь про энергобаланс. Наиболее мощным каналом потери энергии из горячей плазмы является тормозное излучение (горячие электроны, пролетающие мимо ядер, ярко светятся в рентгеновском диапазоне). На следующей картинке показана мощность разных термоядерных реакций в одном кубометре горячей равновесной плазмы с концентрацией 10^20 м^-3. Фиолетовой прямой (угол не в счёт) показан уровень потерь на тормозное излучение. Энергию можно вырабатывать там, где чёрная кривая выше фиолетовой прямой.
Тут можно посмотреть на основные термоядерный топлива и p11B. Последний лежит близко к уровню потерь, что заставляет выдумывать хитрые конфигурации с неравновесной плазмой вплоть до использования топлива, поляризованного по ядерному спину, включительно.
Чтобы не множить сущностей, возьму уже посчитанные другими людьми для ИТЭРа цифры. Расклад по энергиям получается таким:
В плазму вкладывается 73 МВт от внешних источников. Из них 33 МВт — пучки быстрых нейтральных атомов, 20 МВт — СВЧ-волна на частоте вращения электронов (170 ГГц), 20 МВт — ВЧ-волна на частоте вращения ионов (40–50 МГц).
В термоядерной реакции выделяется ~500 МВт, из них 400 МВт получают нейтроны, а 100 МВт остаётся в альфа-частицах и нагревает плазму.
Теперь потери.
400 МВт мощности, переносимой нейтронами, тут же уходят из плазмы и нагревают воду в каналах охлаждения.
Тормозное излучение уносит около 120 МВт.
Небольшая часть энергии (от нескольких единиц до нескольких десятков МВт — в зависимости от того, насколько устойчивой получилась плазма) уходит с быстрыми ионами, плохо удерживаемыми плазмой, и нагревают пластины первой стенки.
Остальные 100–150 МВт уносятся плазмой, вытекающей из области удержания, и нагревают специально предназначенные для этого пластины дивертора в нижней части камеры (см. рисунок — словом plasma там обозначена область удержания, вытекающий из неё поток идёт вдоль силовых линий, нарисованных чёрным, на оранжевые приёмные пластины).
С пользой можно использовать либо нейтроны (только как кипятильник), либо поток плазмы, вытекающий из области удержания в дивертор (или кипятильник, или, теоретически, МГД-генератор. Впрочем, схем МГД-генератора для токамаков я не видел).
И последний вопрос: когда?
Я на него всегда отвечаю: «Когда потребуется». Скажем, китайская термоядерная программа предполагает запуск демонстрационного энергетического реактора в 30-х годах (да, они хотят начать строить его до того, как будут получены внятные результаты ИТЭРа). В принципе, если не будет ограничений в ресурсах, они могут справиться.
Всех остальных припрёт в 50-х.
Ps. Надеюсь, пост получился информативным, но не переусложнённым. В принципе, обо всём этом можно рассказать и проще (но без деталей), и сложнее (там столько всего интересного!)
Этот пост - не о том, какие проблемы есть у термоядерной энергетики, а фантазия на тему того, что человечеству может дать доступ к термоядерной энергии.
(Очень много букв!)
Доступ к дешёвой энергии не будет означать лишь то, что вы будете меньше платить по счётчику за электричество. По своему масштабу, это будет грандиозный скачок! По важности для истории человечества это будет сравнимо с приручением огня и изобретением письменности.
(по мотивам Youtube публикаций канала Science and Futurism пользователя Isaac Arthur)
Термоядерный синтез получил несколько дурную репутацию. В 50-х годах прошлого века говорили, что эта технология придёт «через 20 лет», но и спустя семьдесят лет с тех пор, люди по-прежнему говорят «через 20 лет», и поэтому, когда речь заходит о термоядерной энергетике, людьми овладевают сомнения, а некоторые даже заявляют, что данная технология невозможна.
История изобретения водородной бомбы наглядно показывает, почему про термоядерную энергетику говорят, что она всегда останется «технологией будущего».
За одно поколение, человечество преодолело путь от понимания устройства атомного ядра до атомной бомбы. Спустя всего 7 лет после Хиросимы и Нагасаки мы получили водородную (термоядерную) бомбу. Многие тогда думали, что управляемый термоядерный синтез не за горами, но более, чем полвека спустя, воз и ныне там. Впрочем, в последнее время учёные начинают делать определённые успехи.
Сегодня мы перешагнём через скепсис, а так же не будет подробно рассматривать конкретные механизмы и конструкцию реакторов, в которых предполагается получить синтез. В сети есть множество материалов и дискуссий на эту тему, создавать ещё одну было бы бессмысленно.
Давайте, всё же, очень быстро коснёмся основных аспектов технологии, а так же рассмотрим конструкцию реактора, которая точно работает, и пойдём дальше.
Термоядерный синтез – это то, на чём работают звёзды в нашей вселенной. Это процесс сталкивания друг с другом множества ядер лёгких элементов, таких как водород, либо его основой изотоп – дейтерий, пока они не образуют в результате столкновения более тяжёлые элементы, такие как гелий. Ядра гелия тоже можно столкнуть друг с другом, чтобы образовать ядро углерода.
Ниже показан пример синтеза ядер трития и дейтерия с образованием ядра гелия.
Gifx
Процесс сопровождается выбросом огромной энергии – в ядре дейтерия один нейтрон и один протон, в ядре углерода 6 нейтронов и 6 протонов. Но ядро углерода весит гораздо меньше, чем 6 ядер дейтерия, поэтому вся «недостающая» масса превращается либо в нейтрино, либо в очень быстрые фотоны, энергию которых мы и можем использовать.
Это колоссальная энергия, гораздо больше, в миллионы раз большая энергия, чем энергия, которую можно получить из эквивалентной массы бензина или угля.
Может быть, мы и получим управляемый синтез в ближайшее время, а может быть и нет, однако, как уже было сказано, у нас всегда была схема работающего термоядерного реактора (и это не Солнце!).
Если упрощённо, можно построить подземный, хорошо (очень хорошо!) укреплённый бункер побольше, наполнить его водой, вывести патрубки к турбинам на поверхности. Затем просто бросить внутрь термоядерную бомбу и взорвать её. Тепло от взрыва разогреет воду, превратит её в пар, пар закрутит турбины, мы получим энергию. Когда пар иссякнет, можно повторить процесс. Если взрывать по одной бомбе в час, можно спокойно питать энергией целый промышленно-развитый континент.
Однако, данный метод не очень привлекателен, термоядерные бомбы не такие уж и дешёвые, а сооружение экспериментального реактора ITER вместе с большим адронным коллайдером покажутся конструктором Lego, по сравнению с подобным бункером.
Но это будет работать!
Давайте, всё же, не будем останавливаться на более изящных устройствах и просто предположим, что у нас имеется рабочий термоядерный реактор и заострим своё внимание на том, какой переворот данная технология совершит в нашей экономике.
В начале, следует, конечно же, оговориться, что термоядерный синтез не является неисчерпаемым источником энергии, однако, данный вид энергии производится из одного из наиболее распространённых веществ во вселенной, и удельная выработка на килограмм вещества настолько велика, что один супертанкер с термоядерным топливом мог бы снабжать энергией всю мировую экономику несколько тысячелетий.
ТРАНСПОРТ
Мы знаем, насколько дешева электроэнергия, произведённая на атомной электростанции. Термоядерная энергия будет ещё дешевле, однако это не сильно помогает нам с автомобилями (автомобили на тории – полная чушь!) Сейчас пытаются использовать батареи или солнечные панели, однако они малоэффективны, и с трудом могут заменить бензин. Но ведь у нас есть термоядерная энергия, почему бы просто не продолжить использовать бензин?
Абсурд?! Вовсе нет. Ископаемое топливо называют углеводородным потому, что в присутствии высоких температур и кислорода, они горят и распадаются на воду и диоксид углерода (углекислый газ), высвобождая запасённую химическую энергию. Этот же процесс можно запустить и в обратную сторону – соединить воду и углекислый газ, чтобы получить в итоге углеводород и воду. Первый процесс производит энергию, второй наоборот – требует потратить её, и, по правде говоря, тратится на это гораздо больше энергии, чем можно получить от повторного сжигания, потому-то сейчас делать это абсолютно бессмысленно. Но если у вас есть практически неисчерпаемый источник энергии, кого будет волновать, что на производство запасание 1 литра «ёмкостью» в ~30 млн джоулей энергии придётся затратить четверть миллиарда джоулей?
Обыкновенная «пальчиковая» батарейка ААА стоит в районе 50 рублей за штуку, примерно столько же, чуть дороже 1 литра бензина, но не содержит и одной тысячной доли энергии, чем бензин, и ещё больше энергии, чем в батарейке содержится, тратится на её зарядку. Но она всё ещё стоит своих денег из-за своей транспортабельности. Если бы у нас были батареи, которые бы по плотности энергии были бы лучше, чем ископаемое топливо, нас бы это не волновало, но у нас нет таких батарей, кроме того, со временем любая батарея теряет свой заряд, и это происходит гораздо быстрее, чем бензин теряет свои свойства.
И так, если у вас есть термоядерная энергия, у вас есть дешёвое топливо. И это без вреда для экологии!
ЭКОЛОГИЯ И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Вы так же можете получить и дешёвое удобрение. В качестве основного удобрения мы используем соединения азота, которые мы получаем в промышленности из аммиака, произведённого по процессу Габера-Боша из атмосферного азота и того же водорода.
Такой же трюк мы можем проделать и с фосфором – вторым по своему значению удобрению. Фосфор в естественных условиях не встречается в высоких концентрациях, во многих местах его добыча весьма дорого стоит, но если у нас есть дешёвая энергия, его можно сепарировать весьма простыми методами (хоть на центрифугах).
Всё те же принципы применимы к любому минералу, хотите – с термоядерной энергией можно разрабатывать хоть астероиды!
По этой же причине, имея много энергии, утилизация и повторная переработка любых отходов существенно удешевляется и упрощается.
То же с водой. На нашей планете во многих местах ощущается нехватка пресной воды, но с дешёвой энергией солёную воду можно опреснять даже для нужд сельского хозяйства. У вас не будет засух, у вас всегда будет вода, чтобы поливать поля.
У вас всегда будут дешёвые, углеродно-нейтральные пластики или поликарбонат для возведения теплиц, которые позволят существенно сократить затраты воды, а так же
поддерживать температуру, более благоприятную для растений.
Да что там, вы всегда сможете отапливать данные теплицы хоть за полярным кругом!
И так, под нужды сельского хозяйства в нашем распоряжении окажутся все пустыни и вся вечная мерзлота, мы сможем ставить отапливаемые теплицы, набитые дешёвыми удобрениями, которые смогут производить гораздо больше еды, чем старомодные фермы.
Но это ещё не конец, возможно, вы слышали о вертикальных фермах, где растения растут в несколько этажей. С дешёвой энергией мы можем освещать их инфракрасными светодиодами, предоставляя наилучшие условия для фотосинтеза.
Когда мы говорим о вертикальных фермах, или подземных фермах или о гидропонике, нам необходимо знать, сколько энергии требуется для производства одной калории (на самом деле килокалории) пригодной для еды пищи. Или, проще говоря, количестве еды, которое требуется человеку в год.
Немного сложно сделать точную оценку, поэтому приведённые цифры будут весьма приблизительны.
Начнём с времён охоты и собирательства – на то, чтобы прокормить одного человека, требовался примерно 1 кв. км земли. Питание – от Солнца. Это даёт нам примерно 10^16 джоулей солнечной энергии в год.
В средние века, ферма на 80 гектар могла нормально прокормить семью, и это было в 100 раз эффективнее – примерно 10^14 джоулей в год на человека.
При термоядерном синтезе проходит конверсия массы с эффективностью около 1% (старое доброе E = MC^2), что даёт 10^17 джоулей на килограмм полной конверсии или 10^15 джоулей (для 1% конверсии). Это означает, что для охотников-собирателей вам потребуется 10 кг термоядерного топлива на человека в год, для доинтустриального общества уже в 10 раз меньше – всего 1 кг.
В этом же масштабе, современный землянин в постиндустриальном государстве использует несколько сотен миллиардов джоулей энергии в год, что эквивалентно порядка 10 тыс. литров бензина, либо менее 1 грамма термоядерного топлива.
Но можно пойти и дальше, новые технологии, энергосбережение, использование только инфракрасного спектра, вертикальные фермы, всё это можно попытаться довести до приблизительно нескольких сотен миллиардов джоулей в год на человека.
Помимо растительной пищи, нам требуется и мясо (веганы негодуют!). Нужны пастбища, поэтому, следует немного увеличить годовое энергопотребление на одного человека, скажем, до круглой цифры в триллион джоулей в год, что эквивалентно одному грамму термоядерного топлива.
Я умышленно применяю термин термоядерное топливо, так как неизвестно, что именно будет использоваться в качестве такового - простой водород был бы идеален, так как он является наиболее распространённым веществом во вселенной. Однако, в настоящее время исследования направлены на различные изотопы водорода и гелия, например, дейтерий. Дейтерий тоже весьма распространён, но, разумеется, не так широко, как простой водород.
Но что важно, так это то, что, вне зависимости от типа термоядерного топлива, одного его грамма достаточно, чтобы поддерживать комфортное существование человека хоть на Луне, хоть на Плутоне. Килограмма этого топлива хватит на обеспечение роскошных условий существования всю его жизнь. Десять тонн этого топлива хватит, чтобы поддерживать в течение года естественное “солнечное” освещение на территории, сравнимой с республикой Ингушетия (3,6 тыс. кв. км).
ОСВОЕНИЕ КОСМОСА
Иными словами, вы можете построить огромный вращающийся цилиндр О’Нила с искусственным солнцем в центре, на внутренней поверхности которого можно разместить заповедник дикой природы.
Подобный цилиндр способен обеспечить комфортное проживание нескольких сотен тысяч жителей, которые будут обеспечены всем необходимым. Добывая простой водород, такая колония, теоретически не будет нуждаться более ни в чём.
Имея полную автономию, человечество может строить поселения где угодно в Солнечной системе.
И разумеется, сооружение подобной колонии будет существенно легче при наличии неограниченного количества дешевой энергии.
Наличие термоядерной энергии позволит космическим кораблям ускоряться непрерывно неделями, если не месяцами, что может сократить длительность полёта, например, к Марсу с нескольких месяцев до нескольких недель, если не дней. А топливо - топлива всегда в избытке. Запасов водорода на одном Юпитере хватит на многие многие поколения.
Перечисленное в данном посте - далеко не всё. Освоение термоядерной энергии гарантирует человечеству выживание и уверенность в завтрашнем дне. Освоение данного технологического уклада изменит жизнь людей фундаментальнейшим образом. Надеюсь, к лучшему.
В Китае успешно прошли испытания, в рамках которых плазму внутри установки токамак разогрели до температуры 100 млн градусов Цельсия. Об этом сообщили в Институте физики плазмы Академии наук Китая /ИФП АНК/.
В ходе испытаний сотрудники института получили данные, приближающиеся к необходимым физическим условиям для работы реактора термоядерного синтеза в стабильном режиме.
Так ядерщики добились ряда серьезных прорывов и сделали ключевой шаг на пути к введению в экспериментальную эксплуатацию перспективных термоядерных установок.
EAST /Experimental Advaced Superronducting Tokamak/ - экспериментальный сверхпроводящий токамак, разработанный ИФП АНК в городе Хэфэй, административном центре провинции Аньхой на востоке Китая.
Проект нацелен на исследование термоядерных технологий и их использование в коммерческих целях.
В прошлом году сотрудники института смогли поддерживать режим улучшенного удержания плазмы, или плазму в режиме Н-mode на протяжении 101,2 секунды, установив мировой рекорд. В этом году они провели испытания для исследования активной зоны реактора при нагревании.
Как сообщается, на 27-й конференции МАГАТЭ по термоядерной энергетике, которая прошла в конце октября в Индии, новейшие достижения китайских ученых привлекли большой интерес участников мероприятия.
При этом полученные в ходе испытаний параметры также важны для строительства проекта китайского экспериментального реактора термоядерного синтеза под названием CFETR.
Магнитное поле - одно из фундаментальных физических явлений, и его рекордная напряжённость поможет глубже понять природу вещества.
Фото Global Look Press.
Учёные создали самое мощное магнитное поле, которое только удавалось сгенерировать в лаборатории. Достижение может проложить дорогу к новым открытиям в физике вещества и дешёвой термоядерной энергии. Результат описан в научной статье, опубликованной в журнале Review of Scientific Instruments группой во главе с Сигэхару Такаямой (Shigeharu Takayama) из Токийского университета.
Магнитная индукция достигла фантастической отметки в 1200 тесла. Для сравнения: это в 400 раз сильнее магнитного поля аппаратов МРТ и в 50 миллионов раз – магнитного поля Земли. Таким образом, установлен новый рекорд напряжённости магнитного поля в стенах лаборатории. Человечество умеет генерировать и более впечатляющие поля, до 2800 тесла, но только в опытах со взрывчатыми веществами, когда установка фактически разрушается в момент эксперимента.
Для чего это нужно? Ведь учёные – не спортсмены, и рекорды для них не самоцель.
Во-первых, чрезвычайно мощные магнитные поля меняют свойства вещества. Некоторые из привычных физических законов фактически перестают работать. Это уникальная возможность глубже исследовать устройство полупроводников, сверхпроводников и других материалов, которые пригодятся в электронике будущего. Получение экзотических квантовых состояний, связанных с экстремальным магнитным полем, представляет и чисто исследовательский интерес.
Наконец, мощные магниты необходимы, чтобы реализовать давнюю мечту человечества – термоядерные электростанции. Если удастся построить промышленный термоядерный реактор, энергетические проблемы человечества будут решены навсегда. Один литр обычной воды даст столько же энергии, сколько триста литров бензина, и это без всяких радиоактивных отходов, требующих сложной утилизации.
По оценкам экспертов, в таком реакторе требуются магнитные поля с индукцией не менее тысячи тесла. В работе Такаямы и коллег эта планка взята. Правда, такое мощное поле удалось создать лишь на короткое время.
Как учёным это удалось? Им помог закон сохранения магнитного потока. Поясним, что это такое.
Возьмём замкнутый контур, сопротивление которого так мало, что им можно пренебречь. Пустим по нему электрический ток. Последний создаст магнитное поле. Как утверждает теория и подтверждают эксперименты, при любых деформациях контура сохраняется пронизывающий его магнитный поток. Он пропорционален величине поля и площади, охваченной контуром.
Создадим умеренное магнитное поле с помощью тока в контуре, а затем сильно сожмём последний. Поскольку площадь уменьшилась, а магнитный поток остался прежним, должна вырасти величина поля. Вот так и генерируются сверхмощные магнитные поля.
Самый эффективный способ сжать контур – обрушить на него взрывную волну, подорвав, к примеру, заряд тротила. Так и достигнут абсолютный рекорд величины поля в 2800 тесла.
Но взрывная волна – не лучший сосед как для хрупких приборов, так и для не менее хрупких живых физиков. А ведь и первые, и вторые нужны, чтобы, к примеру, исследовать новые состояния вещества, достигаемые в экстремальных магнитных полях. Поэтому авторы пошли по другому пути. В их работе контур сжимался электромагнитными силами с использованием батареи суперконденсаторов.
Важно, что сверхсильное поле удалось создать в объёме, превышающем кубический сантиметр. Этого вполне достаточно для экспериментов над веществом. Конечно, для строительства термоядерных реакторов нужно искать другие технологии. Кроме того, величина поля является далеко не единственным препятствием к созданию "искусственного солнца".
Публицист Валентин Гибалов рассказал о «Возможном будущем ядерной энергетики».
Валентин Гибалов убежден, что атомная энергетика будет развиваться по четырем направлениям. Это добыча урана из морской воды, разработка быстрых натриевых реакторов, тяжелые металлические реакторы, АЭС малой мощности.
Уже больше года назад я опубликовал комментарий под постом о термоядерном реакторе в Великобритании, после чего у меня появилось несколько подписчиков. В том комментарии я написал, что могу рассказать по теме термоядерных реакторов более подробно, если это будет интересно. И вот, более чем через год, я наконец решился написать небольшую серию постов на эту тему. Сразу предупреждаю, пишу я медленно, поэтому буду публиковать посты нерегулярно, но постараюсь уложиться за месяц. Темой первого поста станет физика процесса термоядерного синтеза, а также немного истории. В следующих постах я расскажу об истории термоядерной энергетики, проекте ITER и других проектах в этой области. Буду стараться писать максимально доступным языком и разжёвывать все основные понятия.
Сложно поверить, но большая часть электроэнергии на Земле вырабатывается за счёт термоядерных реакций. Тепловая, солнечная, ветряная энергетики лишь извлекают тем или иным способом энергию, производимую (или произведённую в прошлом) огромным термоядерным реактором - Солнцем.
Собственно, древнейший термоядерный реактор в Солнечной системе
Мечта сотворить звезду на Земле преследует человечество с давних времён. И это удалось - 1 ноября 1952 года был взорван Ivy Mike - первое термоядерное устройство.
Ivн Mike, ещё целый
И уже не очень
Звезда наконец зажглась на Земле, практически мгновенно переработала всё имеющееся топливо и погасла. Однако как-либо управлять этим процессом было невозможно, а значит и практической, с точки зрения энергетики, ценности такая "звезда" не имеет. Даже сейчас, в век технологий и невероятных изобретений, мы слишком мало знаем об основной составляющей звёзд - плазме. Плазма - ионизированный газ, он состоит из положительно заряженных частиц - ионов, и отрицательно заряженных - электронов. Её поведение практически не поддается расчёту, что и привело к тому, что мы до сих пор не построили действующий термоядерный реактор.
Для начала углубимся в историю. С начала времён Солнце имело мифологическую сущность. Древние люди считали Солнце богом (либо каким-то устройством, например колесницей Гелиоса).
Представления о Солнце у разных народов. Слева направа, сверху вниз: Египтяне (Ра), Греки и Римляне (Гелиос и Сол, Солнце - колесница), индуисты (Шива), праиндоевропейцы (солнечная повозка)
Одним из первых, кто усомнился в правдивости мифологического взгляда на сущность звезды был греческий философ Анаксагор в V веке до нашей эры. Он представлял Солнце огромным раскалённым шаром. За это его приговорили к смерти, которую он избежал лишь после вмешательства Перикла. В начале XIX века, после изобретения спектрометрии, было обнаружено, что Солнце состоит преимущественно из двух элементов - водорода и ещё одного неизвестного элемента, названного в честь бога Солнца Гелиоса гелием. Появилась теория, что солнце нагревается из-за постоянной бомбардировки метеоритами. Но при необходимой интенсивности бомбардировок горела бы в том числе и Земля, да и масса Солнца должна была неуклонно расти, что сказалось бы и на движении планет, поэтому эта теория была отброшена. Следующей была теория, созданная и развитая Гельмгольцем и лордом Кельвином - теория гравитационного сжатия. Согласно этой теории, Солнце должно существовать не более чем 20 миллионов лет. Однако это не согласовывалось с возрастом Земли, уже тогда его оценивали более чем в 300 миллионов лет. Резерфорд предположил, что Солнце нагревается из-за происходящих внутри реакция радиоактивного распада. Наконец, в 1920 году Артур Эдингтон предположил, что на Солнце (а точнее внутри) происходят реакции слияния протонов с образованием гелия. Дальнейшие исследования подтвердили эту теорию.
Так что же происходит внутри звёзд? Как было сказано выше, вещество на Солнце находится в состоянии плазмы. При слиянии двух протонов (ядер водорода) образуется ядро дейтерия (то есть ядро водорода, состоящее из одного протона и одного нейтрона), позитрон и нейтрино. Ядро дейтерия может снова слиться с протоном, образуя ядро гелия-3 и фотон. При слиянии двух ядер гелия-3 образуется более привычный нам гелий-4 (или просто гелий, тот, который закачивают в воздушные шарики и позволяет говорить смешным голосом) и два протона.
Схематичное изображение реакции
Однако масса изначальных шести протонов больше массы получившихся частиц. Куда же делась эта масса? Здесь следует вспомнить общеизвестную формулу старика Эйнштейна:
Изменение массы перешло в энергию. Всего выделилось около 18 мегаэлектронвольт энергии. Много это, или мало? Чтобы вскипятить литр воды от комнатной температуры до кипения нужно около 2 квинтиллиона (число с восемнадцатью нулями) мегаэлектронвольт. Казалось бы - ничтожно мало - в 100 квадриллионов (число с 15 нулями) раз меньше чем нужно! Однако на Солнце каждую секунду происходит примерно 50 ундециллионов (здесь уже 36 нулей!) таких реакций. Более чем достаточно. На Солнце происходят и другие реакции, мы их рассматривать не будем.
Как повторить это на Земле? Как мы можем видеть, для реакции, подобной солнечной, необходим водород. С этим в общем-то нет никаких проблем, каждый школьник видел получение водорода на уроках химии. С другой стороны, первый этап данной реакции - получение дейтерия - крайне маловероятен. Для масштабов Солнца это не является проблемой, но для маленьких земных реакторов это практически непреодолимая проблема. Здесь нам на помощь приходит тяжёлая вода. Тяжёлая вода - молекула воды, в которой один (для полутяжёлой воды) или оба (для, собственно, тяжёлой воды) атома водорода-1 (обычного водорода, или как его ещё называют, протия) заменяются на атомы водорода-2 (дейтерия). Концентрация тяжёлой воды довольно велика - примерно на 3200 молекул обычной воды приходится 1 молекула тяжёлой. Выделить её не составляет труда, сейчас тяжёлая вода добывается в промышленных масштабах (в основном в Канаде, их ядерные реакторы используют тяжёлую, а не обычную воду в качестве замедлителя). Однако второй этап реакции - слияние дейтерия и протона - также маловероятный процесс. Можно, конечно, сразу перейти к последнему, самому энергетически выгодному этапу - слиянию двух атомов гелия-3, однако на Земле его нет. Зато он в избытке имеется на Луне, куда он прилетает с Солнца, что и является не последней причиной возрастания в последнее время интереса к нашему естественному спутнику. Но это будущее, а хотелось бы получить термоядерную энергию сейчас. Здесь нам приходит на помощь дейтерий-тритиевая реакция - слияние ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия-4 и нейтрона.
Gifx
Тритий - ещё один изотоп водорода, состоит из одного протона и двух нейтронов, а не одного, как в дейтерии. Трития практически нет на Земле, однако его можно получить, облучив потоком нейтронов литий. Лития на нашей планете довольно много, да и одним из продуктов дейтерий-тритиевой реакции является нейтрон - реактор может производить для себя топливо! Сейчас это наиболее перспективный вариант, именно так энергию будет вырабатывать ITER.
А теперь о грустном. В начале поста я соврал, что нам не удалось управлять этой реакцией. Удалось, и довольно давно - после постройки первого токамака - в 1954 году. Однако энергия, необходимая для поддержания реакции значительно превосходила энергию, которая выделялась при реакции. Ни один ныне существующий реактор до сих пор не преодолел это ограничение. Ещё одной проблемой является сама реакция. Если мы соберём водород в каком-то сосуде и будем долго ждать, реакция не начнётся никогда. Даже если мы нагреем его до температуры, необходимой для полной ионизации (то есть чтобы разделить все нейтральные атомы водорода на протоны и электроны), а это несколько тысяч градусов, реакция всё равно не начнется. Этому мешают два обстоятельства - кулоновский барьер и сечение взаимодействия. Из школьной физики известно, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Протоны имеют положительный заряд, поэтому нужно приложить силу, чтобы преодолеть это отталкивание, называемое кулоновским барьером и войти в зону действия сил, связывающих воедино протоны и нейтроны в ядре. Здесь нам понадобятся ещё четыре формулы из школьной физики для кинетической энергии а также формулы для кулоновской силы и второй закон Ньютона:
Две формулы для кинетической энергии, закон Кулона, второй закон Ньютона
Если приравнять первые две формулы, можно узнать, что температура есть ничто иное, как характеристика скорости! То есть увеличивая температуру, мы увеличиваем скорость частиц. А вот теперь задачка - какой должна быть температура, чтобы, используя второй закон Ньютона и закон Кулона, преодолеть кулоновский барьер?
Но могу сказать, что это очень большая температура. Порядка миллионов градусов. И здесь встаёт вторая проблема - сечение взаимодействия. Чтобы два протона слились нужно, чтобы они пролетели достаточно близко друг к другу, а они очень маленькие. На Солнце эта проблема решается просто и элегантно - огромная гравитация в ядре звезды сводит протоны близко друг к другу - давление в центре Солнца 250 миллиардов атмосфер. На Земле нет ничего, способное создать такое давление. Поэтому используется другой подход - увеличить скорость, чтобы поднять вероятность прохождения протонов достаточно близко друг к другу. А что нужно для этого сделать? Правильно - ещё поднять температуру! Например, температура плазмы в ITER будет достигать 50 миллионов градусов - в несколько раз больше, чем в центре Солнца.
А что же плазма? Как я уже писал, сегодня нет исчерпывающих теорий поведения плазмы. Особенно при температурах, описанных выше. Тут также возникает вопрос - как удержать вещество такой температуры? Вольфрам, самый тугоплавкий металл, плавится уже при 3400 градусах - далеко от заданных температур. Да и если вольфрам попадёт в плазму, он её "отравит", реакция прекратится. Поэтому единственный возможный способ - магнитная ловушка. Но традиционные медные электромагниты слишком громоздки и тратят слишком много энергии впустую - на нагрев. Единственный выход - сверхпроводники. Уже существуют сверхпроводники, способные работать при температуре жидкого азота - 80 К (кельвинов, шкала Кельвина соответствует традиционной шкале Цельсия, только ноль находится не в точке замерзания воды, а в абсолютном нуле - минус 273 градуса по Цельсию, таким образом, ноль по Цельсию это 273 К. Здесь и далее будет использоваться в основном шкала Кельвина). Однако сверхпроводимость имеет свойство разрушаться в сильных магнитных полях (ещё одна проблема). А мы ведь хотим удерживать много плазмы, чтобы получить много энергии. Существуют сверхпроводники, способные создавать сильные магнитные поля. Однако они работают при температуре жидкого гелия - 4К. А вот теперь представьте - магнит, охлажденный до температуры 4К соседствует с плазмой с температурой 50 миллионов К! Непростая задачка, не правда ли? У плазмы есть ещё одно свойство - она стремится "сбежать" из любой ловушки. Поэтому необходимо создать поле такой формы, чтобы плазма не смогла "сбежать" из такой ловушки. Поэтому и существует так много форм этого реактора - токамак, стелларатор, шар и другие. Первый является самым популярным. Типы реакторов - тема будущего поста, поэтому здесь мы не будем её касаться.
До сих пор ни один реактор не преодолел ещё одно ограничение - время удержания плазмы слишком мало. Даже на самых современных токамаках это время около ста секунд, зачем нужен реактор, способный за 100 секунд выделить огромное количество энергии, а потом стоять в бездействии? Это происходит из-за довольно быстрой переработки топлива реактором и накопления гелия. Чем крупнее реактор, тем дольше он сможет работать без выключения, если постоянно подавать в него дейтерий и тритий. Поэтому большинство перспективных реакторов - установки просто циклопического размера. Некоторые схемы лишены этого недостатка, но пока недостаточно изучены.
Пожалуй, с теорией закончили. Критика приветствуется. Также необходимо иметь в виду, что данный пост имеет исключительно ознакомительный характер, многие моменты упрощены или вовсе опущены. За ошибки и картинки прошу сильно не бить. Следующий пост будет про типы ловушек и реакторов.
Сначала немного истории. В 2009 году были объединены Университет Карлсруэ, который в основном находится в самом городе и Научно-исследовательский центр Карлсруэ, который в основном располагается на севере за городом в Campus Nord. Новый объединенный центр получил название Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology) по аналогии с американским Massachusetts Institute of Technology.
Я работаю в Campus Nord, бывшем Forschungszentrum, созданном вначале как ядерный исследовательский центр. Здесь же был открыт первый, спроектированный немцами реактор.
В 2000 году правительство Германии в угоду зеленым решило постепенно сворачивать атомную энергетику. А в 2011 после взрыва на Фукусиме в Японии этот план ускорили и из 17 реакторов сразу закрыли 8. На данный момент в Германии работает 7 энергоблоков, которые вырабатывают 13% всей электроэнергии. Очень многие немцы (в том числе и те, у которых я живу) сильно критикуют действия правительства по отказу от атомной энергетики. Во-первых, правильнее было бы сначала обзавестись новыми электростанциями, работающими на других источниках, а потом закрывать атомные. Во-вторых, стоимость электроэнергии для домохозяйств очень сильно выросла (говорят, в 2 раза), а для промышленности не так существенно. Причем о повышение стоимости никто не предупреждал. В-третьих, Германия стала закупать электроэнергию у Франции, а там за границей в каких-то ста километрах от Германии могут стоять атомные электростанции. Если произойдет авария, то Германию все равно может накрыть радиацией из Франции. Таким образом, Германия столкнулась с серьезным дефицитом электроэнергии, и поэтому она вкладывает деньги в альтернативную энергию: солнечную, ветряную, приливную, геотермальную, биологическую энергию (те же дрова) и термоядерную энергию.
Что такое термоядерная энергия? Если просто, то это энергия, выделяемая при реакции объединения более легких атомов с образованием более тяжелых. Однако для запуска реакции необходимо воссоздать по сути условия внутри нашего Солнца: температура порядка 100 млн Кельвин и необходимую концентрацию плазмы. На данный момент наиболее перспективной (и требующей минимальную температуру) реакцией считается экзотермическая реакция соединения дейтерия и трития (изотопы водорода) с образованием атома гелия и одного нейтрона. Далее гифка из Википедии:
Gifx
В чем преимущества термоядерной энергии? Дешевая термоядерная энергия - это мечта всего человечества. Теоретически с запуском реактора на такой энергии человечество получит почти неограниченный источник энергии, поскольку для реакции можно использовать простые вещества типа изотопов водорода. Другое преимущество термояда в высокой мощности и в том, что он не зависит от положения солнца и скорости ветра.
На каком этапе освоения термояда мы находимся? На данный момент запущены два проекта строительства экспериментальных термоядерных реакторов. Первый проект ITER уже частично строится во Франции. В проекте участвует весь мир, в том числе и Россия. Планируемую дату запуска недавно отсрочили с 2025 до 2035 годов. Этот реактор должен отработать несколько минут, но вся выделившаяся энергия будет просто сброшена в атмосферу. Реактор строится для отработки нескольких концепций работы. На данный момент ITER выглядит так (здесь и далее все фото и рисунки из интернета):
Второй проект DEMO будет намного мощнее ITER и должен будет дать первую электроэнергию. Пока запуск реактора намечается на 2050 год.
Каковы проблемы управляемого термоядерного синтеза? Еще в середине прошлого века человечество столкнулось со множеством трудностей, возникающих при создании условий термоядерного синтеза. Я не могу быть в курсе всех проблем, например, физики плазмы, микроволнового излучения, поэтому коснусь только тех, которые решает материаловедение.
В институте, в котором я работаю, решают следующие проблемы термояда:
1. Создание окна для микроволнового излучения. Я в этой области мало чего понимаю, но для нагрева плазмы из дейтерия и трития необходимо излучение, которое в свою очередь будет поступать в камеру через окно. Понятно, что окно должно выдерживать контакт с плазмой и мощным нейтронным излучением. На фото ниже представлено такое окно, сделанное на основе алмаза. Окно создавалось при участии Технологического института Карлсруэ.
2. Создание источника трития. Для работы термоядерного реактора постоянно необходимо топливо из дейтерия и трития. Если с дейтерием проблем особых нет, то трития в мире всего около 20 кг и стоит он целое состояние. Тритий - это радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада в 12 лет. И в ITER и в DEMO будут стоять источники трития на основе лития. При попадании нейтрона на литий (в составе керамики или жидкости) происходит реакция с образованием трития, который далее будет собираться (только в DEMO) и подаваться в камеру для термоядерной реакции. Предполагается, что в модулях за первой стенкой будут находиться источники трития.
3. Создание размножителя нейтронов. В ходе реакции дейтерия и трития образуется один нейтрон. Только небольшая часть нейтронов будет попадать на литиевую керамику и приводить к образованию трития. Этого будет явно недостаточно для потребностей реактора. Поэтому между модулей с источником трития необходимо помещать модули с размножителем нейтронов (на рисунке ниже в ячейках breeding zone). Одной из концепций размножения нейтронов является модуль, заполненный гранулами бериллия. При попадании одного нейтрона на бериллий образуется два нейтрона и другие побочные элементы. Эти нейтроны частично продолжают реакцию размножения в Be, либо попадают на литиевую керамику, как источник трития.
4. Создание первой стенки. Первая стенка, которая будет непосредственно контактировать с плазмой, будет изготовлена из вольфрама. Одна из проблем вольфрама, которую пытаются побороть в нашем центре - это его низкая пластичность и хрупкость. На рисунке выше эта стенка обозначена "First wall".
5. Выбор основного конструкционного материала внутри бланкета. Для этих целей необходим низкоактивируемый, достаточно жаропрочный материал со стабильными характеристиками при облучении. В качестве такого материала пока выбрана нержавеющая сталь ферритного класса, дисперсионно упрочненная частицами оксидов.
Я перечислил только те области исследования, о которых я слышал. Концепция реактора и бланкета еще не разработана. Некоторые конструкторы всего этого сидят в соседнем с нами здании. Работа финансируется европейскими программами по развитию термоядерной энергетики. По решению одной из вышеназванных проблем я и начинаю работать в качестве экспериментатора.
Что можно сказать о будущем термояда? Энергия явно не будет бесплатной. Для производства трития нужен дорогой литий. Для размножения нейтронов нужен дорогой бериллий. И литий, и бериллий будет необходимо время от времени заменять на новые. Отработавший материал придется как-то утилизировать, причем этот материал будет радиоактивным. Тем не менее это первый шаг человечества на пути к неисчерпаемой энергии. Мне очень импонирует, что мы хоть каким-то боком можем быть причастны к этому великому делу.
На прошлый нг заказал себе на ае семена острых перцев. Вырастил, собрал, захуячил соус. Блендер, ферментация, все дела... Получился кромешный пиздец. Я люблю острое, но результат превзошёл ожидания. Ем потихоньку, но чили такая штука - остановиться не получается. Походу, скоро начну в чай добавлять. А тут, внезапно, празднег. Ну как с друзьями не поделиться. На кдпв - адская смесь в подарочном варианте. С наступающим, братики, жгите кто чем может)
Наверное, каждый из нас, оглядываясь вокруг, задавался вопросом: А откуда это все взялось? Как мы знаем, всё состоит из атомов, все они систематизированы в Периодической таблице. Но откуда появились атомы, образующие вещества и почему одни вещества более распространены во Вселенной, чем другие. Для того, чтобы всё разобрать по порядку необходимо начать с начала, в прямом смысле этого слова, поскольку началом всего в нашей Вселенной был Большой Взрыв - момент, с которого она начала своё расширение, который, как считается, произошел 13,77 млрд. лет назад.
Начало Вселенной описывается так называемой Планковской эпохой время от 0 до 10^-43 секунд от Большого Взрыва, когда вещество Вселенной находилось в экстремальных условиях, а именно имело планковскую энергию (10^19 ГэВ), планковский радиус (10^−35 м), планковскую температуру (10^32 К) и планковскую плотность (10^97 кг/м³). В этот столь короткий промежуток времени Вселенная состояла из кварк-глюонной плазмы.
Однако уже через 10^−36 секунд температура Вселенной упала достаточно для того, чтобы сформировались протоны и нейтроны, которые в свою очередь, сталкиваясь, образовывали ядра первых атомов, а именно изотопы водорода, которые в свою очередь превращались в ядра изотопов гелия. Температура новой Вселенной продолжала падать, и атомы уже находились в устойчивом состоянии, но спустя примерно 17 минут энергии для реакции термоядерного синтеза было уже недостаточно и первый процесс образования материи из элементарных частиц завершился. Но сформированного за столь, кажется, короткое время вещества, которое распределилось по всей расширяющийся Вселенной, было достаточно для образования всего известного нам водорода и большей части гелия, из которых в последствии будут состоять звезды, являющиеся настоящими генераторами всех остальных элементов Периодической таблицы.
Звезды - массивные космические тела, образованные из газопылевой среды в результате гравитационного сжатия. В начале своего существования все звезды на большую часть состоят из водорода, который и расходуется на протяжении всей её жизни. Суть заключается в том, что в ядре из-за огромных давлений и температур создаются оптимальные условия для реакций термоядерного синтеза, которые происходят непрерывно, поскольку в ходе реакции из ядра во вне выделяется энергия, противостоящая силам гравитации. Таким образом, эти два процесса поддерживают звезду в равновесии.
Данная совокупность термоядерных реакций в ходе которого водород превращается в гелий называется протон-протонным циклом. В ходе всего процесса выделяется свыше 18 МэВ энергии. Но это лишь один из циклов термоядерных реакций и насколько далеко может заходить синтез новых элементов зависит от массы звезды, а далее от сценария её гибели.
Причиной всего является то, что чем дальше заходит термоядерный синтез, тем больше требуется гравитационного сжатия для формирования нового элемента и тем меньше выделяется энергии. По этой причине звезды, чья масса меньше половины массы Солнца не могут расходовать на реакции гелий, когда весь водород закончится. Такие звезды принадлежат к классу красных карликов, и водород в них расходуется чрезвычайно долго. С момента зарождения Вселенной не остыл ни один красный карлик, считается, что звезда с массой 0.1 солнечной способна жить 10 триллионов лет.
Звезды, близкие по массе к Солнцу имеют другую судьбу. Реакции термоядерного синтеза гелия из водорода происходит в течении примерно 10 млрд. лет, после чего в гелиевом ядре начинается процесс превращения его в углерод и кислород. Выделяющейся при этом энергии недостаточно, чтобы противостоять силам гравитации и внешняя оболочка звезды начинает расширяться, при этом сжимая ядро. Такие звезды называются красными гигантами и обычно не живут больше 1 миллиарда лет.
Процесс термоядерного сжигания гелия отличается от предшествующего водородного; он очень чувствителен к температуре и вызывает нестабильность в виде сильнейших пульсаций, которые сообщают внешним слоям достаточное ускорение, чтобы быть сброшенными, что в итоге и происходит.
Gifx
Звезда превращается в так называемую планетарную туманность, состоящую из ионизированной газовой оболочки, выброшенной в межзвездное пространство и центра - белого карлика. Оболочка состоит из всех тех элементов, что были получены в ходе термоядерного синтеза внутри звезды (обычно это углерод, азот и кислород) и не участвовавших в реакции водорода и гелия из внешних областей бывшей звезды.
Белый карлик бывшее ядро звезды, сжатое силами гравитации до размеров Земли, но массой близкой к солнечной. В течение 50 тыс лет туманность полностью рассеивается, а белый карлик, состоящий преимущественно из гелия, который оставался в ядре звезды, постепенно охлаждается, превращаясь в черного карлика - потухшую звезду, не излучающую свет.
Однако возможен другой сценарий, при котором будут образовываться более тяжелые химические элементы. В космическом пространстве очень часто можно встретить системы из двойных звезд, например Сириус, самая яркая звезда ночного неба, на самом деле система из звезды Сириус А, немного большей в диаметре, чем Солнце и Сириуса Б - белого карлика. Белые карлики чаще всего являются компаньоном больших по размеру звезд, поскольку обладают очень высокой плотностью и силой притяжения.
По этой причине, рано или поздно белый карлик начинает забирать на себя внешнюю оболочку звезды-компаньона, из-за критических условий вновь возобновляется процесс термоядерного синтеза более тяжелых элементов - углерода, азота и кремния.
Но процесс отличается крайней нестабильностью и белый карлик не может полностью поглотить весь материал звезды-соседа. Критический момент возникает тогда, когда в ходе термоядерного синтеза появляется железо.
Gifx
Ядро железа-56 обладает максимальным дефектом массы, вследствие чего в дальнейшем ряду прекращается выделение энергии в ходе термоядерной реакции, то есть для получения кобальта энергия уже расходуется, а не выделяется.
Когда дальнейшее превращение становится невозможным, в ядре происходит коллапс, высвобождающий такую энергию, которая буквально разрушает звезду. Этот взрыв носит название Сверхновая типа IА.
Gifx
Чрезвычайная мощность взрыва разносит получившиеся в ходе синтеза химические элементы по межзвездному пространству, которые в дальнейшем образуют новые космические объекты.
Однако железо наряду со всеми остальными не упомянутыми более тяжелыми элементами образуется в ходе финальной стадии жизненного цикла звезд, чья масса в более чем в 10 раз превышает массу Солнца. Такие звезды живут гораздо меньше, поскольку, чем больше звезды, тем более экстремальные условия возникают в ядре, и тем активнее в них идут термоядерные реакции. С исчерпанием водородного ресурса в ядре эти звезды также начинают расширяться, превращаясь в красного сверхгиганта, но огромная масса стабилизирует неустойчивое поведение гелия и в центре поддерживаются нужные условия для синтеза более тяжелых элементов, чем углерод и кислород.
Структура сверхгиганта напоминает слоеный пирог из разных элементов, которые выбрасываются из ядра во внешние слои.
Крест на всём и в этом случае ставит железо, которое начинает поглощать энергию для дальнейшего превращения, звезда выходит из состояния равновесия по действием колоссальных, гравитационных сил, которые начинают сжимать ядро до размера нескольких десятков километров. Возникающее давление настолько сильное, что между ядрами атомов не остается пустого места, а электроны сливаются с протонами, образуя нейтронную массу. Столь критические условия вызывают детонацию из самого центра звезды называемый Сверхновой типа II.
Gifx
Высвобождаемая энергия вкупе с температурой в миллиарды градусов проходит через все слои сверхгиганта, в процессе чего происходит синтез всех следующих за железом элементов, и под действием невероятных сил они выбрасываются в межзвездное пространство на миллиарды километров, формируя туманность, которая будет рассеиваться еще несколько сотен тысяч лет.
Но на этом трансформация бывшего ядра не заканчивается. Если его масса была от 1.5 до 3 масс Солнца, то оно превращается в нейтронную звезду - чрезвычайно плотный объект, имеющий при данной массе диаметр 10-20 км. Обладая температурой поверхности от миллиона Кельвинов, силой магнитного поля в 100 триллионов раз больше земного и эти объекты до сих пор остаются одними из самых загадочных во Вселенной. Если ядро сверхгиганта превышало массу Солнца более чем в три раза, то оно преобразуется в еще более странный объект не подчиняющийся законом физики этой Вселенной - черную дыру. Едва ли это можно назвать объектом, скорее область в пространстве, поглощающая все частицы и волны ( в том числе свет), плотность, масса и сила притяжения которой равна бесконечности. Астрономы могут наблюдать лишь свечение от звезд, попавших в поле притяжения черной дыры или искажения более далеких объектов. До сих пор многое в особенностях черных дыр остается не изученным.
Таким образом, чем тяжелее атомное ядро элемента, тем в более экстремальных условиях космоса оно образовалось. Несмотря на то, что термоядерные реакции идут уже 13.77 млрд. лет в неисчислимом количестве звезд, доля всех остальных элементов во Вселенной не превышает одного процента. Если изобразить зависимость распространения элементов от числа их атомного номера, то получится убывающий график, при этом можно наблюдать резкий перелом сразу после железа, поскольку эти элементы образуются только в результате взрыва массивных звезд. Похожая картина наблюдается и в зависимости содержания в земной коре (кларкового числа) от атомного номера, несмотря на то, что на Земле гелия и водорода в разы меньше, и она покрыта алюмосиликатной корой, азотисто-кислородной атмосферой, а внутри имеет железо-никелевое ядро.
Подобный круговорот веществ всегда существовал и будет существовать в космосе, ведь в конечном итоге всё, что мы видим, превратится в пыль и осадочные породы, а через 6.5 млрд. лет Солнце, как типичная средняя звезда превратится в красного гиганта и поглотит Землю, вместе с Меркурием, Венерой и Луной, а затем сбросит оболочку и уничтожит все до орбиты Юпитера, образуя планетарную туманность с белым карликом в центре.
В дальнейшем газовые планеты будут еще несколько миллиардов лет находиться на орбите тусклой угасающей звезды, а рассеянная в космическом пространстве туманность даст жизнь другим звездам и планетам.
Рекламный отдел Пикабу и LG опять с конкурсами и подарками. Октябрь торжественно объявляем месяцем музыки и звука. На этот раз мы разыграем не только UltraWide-монитор (вот такой), но и умную колонку с «Алисой» (вот такую). Но обо всем по порядку.
Что происходит?
Вместе с LG мы устраиваем тематические месяцы. Сентябрь был посвящен учебе. Мы советовали сайты с лекциями, проводили мастер-класс по созданию гифок и рассказывали, что делают студенты-технари. Вы писали посты на конкурс и голосовали за лучший. Победителем стал @kka2012. Скоро он получит от нас ультраширокий монитор, чтобы еще быстрее писать свои юридические истории!
Как поучаствовать?
В октября ждем ваши посты на тему музыки и звука. Сделайте подборку любимых подкастов, аудиокниг или музыкальных клипов. Расскажите, как увлеклись монтажом, сделали пару крутых ремиксов или пошли на уроки вокала. Что угодно! Чтобы участвовать в конкурсе, нужно поставить в посте тег #звук или #музыка и метку [моё].
Еще раз коротко:
– Напишите пост на тему месяца (октябрь — музыки и звука) до 25 октября включительно.
– Поставьте тег #звук или #музыка и метку [моё].
– Все! Терпеливо ждите голосования.
За первое место дарим 29-дюймовый монитор LG, а за второе – умную колонку LG с «Алисой». Удачи!
