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

Так думают женщины о... Так думают женщины о...

Очередная попытка выяснить, чего хочет женщиина

Playboy
От лапши в стакане — к списку Forbes. Как Бинод Чаудхари стал первым и единственным непальским миллиардером От лапши в стакане — к списку Forbes. Как Бинод Чаудхари стал первым и единственным непальским миллиардером

Как заработал свои миллиарды потомственный бизнесмен Бинод Чаудхари

Forbes
Мужские и женские цветки орхидеи запахли по-разному ради пчел Мужские и женские цветки орхидеи запахли по-разному ради пчел

Пчелы всегда садятся сначала на мужской цветок, потом на женский

N+1
«Долой Баффета, теперь я ваш папа!»: почему финтех-стартап Robinhood может стать дорогой в никуда для миллионов инвесторов «Долой Баффета, теперь я ваш папа!»: почему финтех-стартап Robinhood может стать дорогой в никуда для миллионов инвесторов

Стартап Robinhood уже привлек на фондовый рынок миллионы непрофессионалов

Forbes
Секси или нет? Что мужчины думают о женских коротких стрижках на самом деле Секси или нет? Что мужчины думают о женских коротких стрижках на самом деле

Что думают о женских коротких стрижках мужчины?

Cosmopolitan
Ученые нашли диких предков новогвинейских поющих собак Ученые нашли диких предков новогвинейских поющих собак

Считалось, что новогвинейские поющие собаки вымерли в дикой природе

N+1
Как советский летчик подарил США секретный самолет-перехватчик: история самого громкого авиаугона времен холодной войны Как советский летчик подарил США секретный самолет-перехватчик: история самого громкого авиаугона времен холодной войны

История советского летчика-перебежчика, повлиявшая на историю военной авиации

Maxim
Нос «уедет» и пропадет дыхание — 7 мифов о ринопластике Нос «уедет» и пропадет дыхание — 7 мифов о ринопластике

Хирург объясняет, стоит ли бояться ринопластики и как проходит эта операция

Cosmopolitan
Аллергия на кошек: что делать, чтобы не расставаться с пушистым другом Аллергия на кошек: что делать, чтобы не расставаться с пушистым другом

Как жить одновременно с кошкой и аллергией на кошек?

Cosmopolitan
Как правильно делать сухой массаж щёткой Как правильно делать сухой массаж щёткой

Сухой массаж щёткой (или драйбрашинг) набирает популярность

Cosmopolitan
Плыть по течению или бороться до конца? Рассуждает Алина Фаркаш Плыть по течению или бороться до конца? Рассуждает Алина Фаркаш

"Надо работать над собой" — такими установками нас уродуют с детства.

Cosmopolitan
10 необычных Lincoln 10 необычных Lincoln

За более чем 100-летнюю историю марки имя Lincoln носили очень интересные машины

Популярная механика
Регуляторные генетические элементы помогли рыбкам отрастить новые плавники Регуляторные генетические элементы помогли рыбкам отрастить новые плавники

Обнаружены гены и другие последовательности, активные во время регенерации

N+1
Тарантино, Ди Каприо, Уилл Смит и Клинт Иствуд вспоминают школу Тарантино, Ди Каприо, Уилл Смит и Клинт Иствуд вспоминают школу

Герои обложек Esquire делятся школьными воспоминаниями

Esquire
Как перезагрузить сексуальные отношения в паре: секреты даосских практик Как перезагрузить сексуальные отношения в паре: секреты даосских практик

Можно ли что-то сделать, чтобы вернуть физическую близость в отношения?

Psychologies
Почему никто не видел птенцов голубей и как они выглядят Почему никто не видел птенцов голубей и как они выглядят

Да, птенцы голубей существуют. и они прекрасны!

Maxim
Радио против видео Радио против видео

Автоматическая посадка крылатого летательного аппарата давно уже не фантастика

Популярная механика
Бесконечная игра Бесконечная игра

В бизнесе побеждает тот, кто не участвует в гонке

kiozk originals
Как худеть после родов и сколько калорий вы тратите, пока кормите грудью? Как худеть после родов и сколько калорий вы тратите, пока кормите грудью?

Ваш главный тренер и диетолог перед вами — это ваш ребенок

9 месяцев
«Заделаться американцем я просто этически не мог». Интервью с режиссером «Карточного домика» и «Игры престолов» Аликом Сахаровым «Заделаться американцем я просто этически не мог». Интервью с режиссером «Карточного домика» и «Игры престолов» Аликом Сахаровым

Алик Сахаров впервые рассказал о причинах своего ухода из сериала «Ведьмак»

Forbes
Кодекс современного джентльмена: 14 правил, которые стоит запомнить каждому Кодекс современного джентльмена: 14 правил, которые стоит запомнить каждому

В 2020 году быть просто «хорошим парнем» недостаточно

Playboy
Мир, полный демонов Мир, полный демонов

Наука – как свеча во тьме

kiozk originals
Часики тикают Часики тикают

Даня Милохин и другие звезды TikTok точно знают, что время — деньги

GQ
Зачем была нужна газетная утечка разговора Путина и Макрона Зачем была нужна газетная утечка разговора Путина и Макрона

Какими были переговоры Путина и Макрона об отравлении Навального

СНОБ
Нашу реальность поставили под сомнение Нашу реальность поставили под сомнение

Парадокс, который ставит под сомнение представления о физической реальности

Популярная механика
9 экстремальных способов, которыми люди добираются на работу 9 экстремальных способов, которыми люди добираются на работу

Дорога на работу — особый жанр

Maxim
Семь принципов счастливого брака Семь принципов счастливого брака

Или эмоциональный интеллект в любви

kiozk originals
«Американская грязь». Отрывок из скандальной книги Джанин Камминс «Американская грязь». Отрывок из скандальной книги Джанин Камминс

Глава из романа Джанин Камминс о беженцах из Мексики

СНОБ
Армия 2020 Армия 2020

Ежегодная выставка «Армия» в парке «Патриот»

Популярная механика
Стереохимические фантазии Вант-Гоффа Стереохимические фантазии Вант-Гоффа

Ученые, которые первыми дали верное объяснение оптической изомерии

Наука и жизнь
Открыть в приложении