Как люди пытаются освоить термоядерный синтез

N+1Наука

Солнце — в бутылку!

Как люди пытаются освоить термоядерный синтез и почему проект ИТЭР играет в этом ключевую роль

Валентин Гибалов

В 60-е годы ХХ века потребности человечества в энергии выросли. Чтобы удовлетворить их, ученые обратились к идее освоения термоядерной энергии. Она получается в результате слияния легких атомов в более тяжелые. Энергия звезд. N + 1 вместе с ГК «Росатом» разобрались, куда сегодня зашли эти идеи и где в них место проекту ИТЭР.

Содержания изотопа водорода дейтерия в океанах хватит на 150 миллионов лет потребления цивилизацией. Реакция слияния дейтерия в гелий примерно в 5 миллионов раз более энергоемка, нежели горение углеводородов. В середине прошлого века идея казалось понятной и простой. Перед учеными маячила перспектива почти мгновенной разработки и освоение другой атомной энергии — деления.

Калейдоскоп концепций

К середине ХХ века был дейтерий активно использовали в лабораторной физике и химии, но получению из него энергии мешали физические сложности. Наиболее простой способ — ядерная реакция слияния (или синтеза) D +T -> He4 + n + 17,6 МэВ, где D и T — тяжелые изотопы водорода, He4 — получившийся обычный гелий, n — нейтрон и 17,6 — выделившаяся энергия.

К сожалению, в отличие от химических, в пробирке такая реакция не происходит. Зато неплохо идет, если смесь трития и дейтерия нагреть до 100 и более миллионов градусов. Тогда атомы начинают двигаться с такой скоростью, что при столкновении по инерции преодолевают силы кулоновского отталкивания и сливаются в гелий. Энергия выделяется в виде осколков: очень быстрого нейтрона, уносящего 80 процентов энергии, и чуть менее быстрого ядра гелия (альфа-частицы). Разумеется, при «рабочей» температуре все вещество — плазма, то есть атомы существуют отдельно от электронов. Любой осевший электрон будет потерян при первом же столкновении столь энергично движущегося вещества.

За 1950-е и 1960-е годы были выдвинуты десятки предложений, как именно должен выглядеть реактор с такой плазмой. В основном речь шла об удержании плазмы из дейтерия и трития магнитным полем различных конфигураций, а также балансировкой утечки тепла искусственным подогревом различными методами и выделяющейся термоядерной энергией. Физики придумали линейные разряды с самообжимом Z-pinch, цилиндрические магнитные «емкости» с открытыми концами «открытые ловушки», тороидальные камеры с магнитными катушками «токамаки», петлевые «стеллараторы», варианты с самоподдерживаемыми вихрями — сферомаки и FRC и множество других.

Быстро выяснилось, что физика установок очень непроста. Ученые столкнулись с тремя главными проблемами:

  1. Коллективные явления в плазме. Четвертое состояние вещества отличается крайне сложным поведением. Обусловлено это тем, что заряженные частицы «‎чувствуют» друг друга через электрические и магнитные поля. Наличие многих степеней свободы, совокупность кинетических, магнитных, электрических явлений приводили к тому, что плазмой было сложно управлять, сложно считать и сложно прогнозировать. В экспериментах по управлению плазменными образованиями постоянно всплывали неприятные особенности.
  2. Абстрактная «сложность поведения» при попытке создать термоядерный реактор вылилась в класс явлений, названных «неустойчивостями плазмы». Плазменные шнуры под воздействием магнитных полей извивались и перекручивались. В них возбуждались высокочастотные колебания плотности, тока и выбрасывались пучки электронов. Сейчас известно порядка 200 типов неустойчивостей, которые ограничивают возможности по созданию разных типов реакторов. Так, например, популярные в 1950-х конфигурации линейного разряд Z-pinch «умерли» именно из-за открывшихся неустойчивостей.
  3. Кроме «новой физики», которая была открыта в плазме при попытке быстро получить термоядерный реактор, никуда не делась классическая проблема теплоизоляции. Нагретое вещество теряет тепло, даже будучи подвешенным в вакууме магнитным полем, через излучение. Здесь природа впервые улыбнулась ученым: если бы для полностью ионизированной плазмы продолжал действовать закон Стефана-Больцмана, при котором мощность излучения зависит от температуры как ~T4, даже термоядерное горение не способно было бы преодолеть потерю тепла. Однако, если от атома оторвать все электроны, этот закон перестает работать. На практике, впрочем, выяснилось, что все атомы тяжелее кислорода в термоядерной плазме ионизированы не полностью и сливают тепло с большой скоростью. Так в термоядерные установки пришли культура ультравакуумной чистоты и легкие материалы (например, углерод, литий и бериллий). Вторым путем «‎слива» энергии из плазмы были неустойчивости, переводящие кинетическую энергию в электромагнитное излучение. Как результат, первые 30 лет создания установок управляемого термоядерного синтеза — это история борьбы за рекорд температуры.

Новая надежда

В 1968 году советские ученые заявили, что в тороидальной плазменной ловушке типа ТОКАМАК, изобретенной пятнадцатью годами ранее Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, вещество удалось нагреть до 10 миллионов градусов. Это значение температуры в несколько раз превышало рекорды других установок. Начавшая подувядать идея освоения термоядерной энергии, к тому моменту 15 лет барахтавшаяся в проблемах, получила второе дыхание. Токамаки по советским лекалам начали строить по всему миру. К 1978 году американские, европейские, советские и японские токамаки, соревнуясь между собой, достигли рубежа в 100 миллионов градусов — пусть при плотности, недостаточной для обеспечения баланса самоподдерживающегося горения, пусть на десятки миллисекунд — но достигли.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Это неисчерпаемый источник чистой энергии» «Это неисчерпаемый источник чистой энергии»

О том, какие волны рождаются и живут в наших морях

Огонёк
Почему Путин назначил в Росгвардию комиссаров Почему Путин назначил в Росгвардию комиссаров

Кремль решил укреплять моральный дух защитников режима

СНОБ
Как позаботиться о здоровье печени? 5 умных шагов Как позаботиться о здоровье печени? 5 умных шагов

Как снизить риск возникновения проблем с печенью?

Playboy
Как похудеть при ходьбе? 5 правил, которые работают Как похудеть при ходьбе? 5 правил, которые работают

Как гулять «с умом» и, заодно, сбросить лишний вес

Playboy
Как устроена экономика Как устроена экономика

Экономическая теория простым и доступным языком

kiozk originals
5 самых больших буровых установок: нефтегазовые колоссы 5 самых больших буровых установок: нефтегазовые колоссы

Буровые платформы - Гулливеры, в сравнении с которыми суда кажутся лилипутами

Популярная механика
6 опасностей психотерапии «Инстаграме» 6 опасностей психотерапии «Инстаграме»

Может ли социальная сеть заменить полноценную психотерапию?

Psychologies
10 пришлых видов, которые приносят пользу экосистеме 10 пришлых видов, которые приносят пользу экосистеме

Иногда инвазивные организмы приносят пользу на новом месте

Популярная механика
Что полезнее: секс или спорт? Что полезнее: секс или спорт?

Сравниваем сексуальную активность с аэробными тренировками

Reminder
Приказано вышить Приказано вышить

Кто в ответе за вышивку на кутюрных платьях модных домов России

Vogue
Самые красивые места Уэльса, которые вам точно стоит увидеть Самые красивые места Уэльса, которые вам точно стоит увидеть

Уэльс – регион диких пляжей, причудливых городков и обширных национальных парков

GQ
Просвещение сегодня Просвещение сегодня

В защиту разума, науки, гуманизма и прогресса

kiozk originals
Дисциплина без драм Дисциплина без драм

Как помочь ребенку воспитать характер

kiozk originals
Как советский футболист забил первый гол в истории кубков и чемпионатов Европы (видео) Как советский футболист забил первый гол в истории кубков и чемпионатов Европы (видео)

28 сентября 1958 года. Помни! Празднуй! Гордись!

Maxim
Судьба человека Судьба человека

25 сентября Сергею Федоровичу Бондарчуку исполнилось бы сто лет

Tatler
Как не выглядеть «теткой» в офисе: 10 модных правил для делового гардероба Как не выглядеть «теткой» в офисе: 10 модных правил для делового гардероба

Сохраняем баланс между актуальными трендами и строгим дресс-кодом

Cosmopolitan
Запах актинобактерий подсказал муравьям благоприятное место для колонии Запах актинобактерий подсказал муравьям благоприятное место для колонии

Тонкости отношения красных огненных муравьев, бактерий и грибков

N+1
13 отличных британских комедийных сериалов 13 отличных британских комедийных сериалов

Прелесть британских комедийных сериалов — в том, что они достаточно короткие

Esquire
Памела Андерсон, Ольга Шелест, Натали Портман и другие знаменитые вегетарианцы Памела Андерсон, Ольга Шелест, Натали Портман и другие знаменитые вегетарианцы

Самые яркие представители звездного веганского сообщества

Cosmopolitan
Нашу реальность поставили под сомнение Нашу реальность поставили под сомнение

Парадокс, который ставит под сомнение представления о физической реальности

Популярная механика
Можно ли выдавать права на вождение с 16 лет: мнение психолога Можно ли выдавать права на вождение с 16 лет: мнение психолога

Готовы ли подростки сесть за руль?

Psychologies
Ух, я готов на подлости! Как знаки зодиака могут подставить ближнего Ух, я готов на подлости! Как знаки зодиака могут подставить ближнего

Каких подстав можно ждать от каждого знака зодиака?

Cosmopolitan
Черепашата заинтересовались изображениями лиц Черепашата заинтересовались изображениями лиц

Почему черепашата ориентируются на лица?

N+1
Акции, стартапы, недвижимость: куда инвестируют Гарвард, Йель, Стэнфорд и другие зарубежные университеты Акции, стартапы, недвижимость: куда инвестируют Гарвард, Йель, Стэнфорд и другие зарубежные университеты

Среди инвестиций университетов компании вроде Google, Facebook и LinkedIn

VC.RU
Как несостоявшийся ликвидатор Саддама Хусейна заработал $850 млн Как несостоявшийся ликвидатор Саддама Хусейна заработал $850 млн

Приложение Дорона Кемпеля, которое люди используют в тревожной ситуации

Forbes
Стала актрисой из-за измены любимого и еще 9 фактов о жизни Зои Бербер Стала актрисой из-за измены любимого и еще 9 фактов о жизни Зои Бербер

После выхода на экраны «Реальных пацанов» всем стало понятно — звезда родилась

Cosmopolitan
Разбор гардероба: 5 основных правил Разбор гардероба: 5 основных правил

«В шкафу нет места, а надеть нечего» — знакомо?

Psychologies
Образ жизни Джо Рогана: диета хищника, экстремальный холод и постоянные тренировки Образ жизни Джо Рогана: диета хищника, экстремальный холод и постоянные тренировки

Методы самооптимизации от известного комика и биохакера

Reminder
5 мифов о еде, которые все принимают за правду. Новая книга-разоблачение 5 мифов о еде, которые все принимают за правду. Новая книга-разоблачение

Какие идеи могут вредить здоровью и мешать нормализации веса

РБК
Концы в оду Концы в оду

Фильм «Куратор» как гимн безальтернативности

Огонёк
Открыть в приложении