Вторая половина XX века была периодом бурного развития ядерной физики

Популярная механикаНаука

Термоядерные реакторы: есть ли у них будущее

Игорь Егоров

Вторая половина XX века была периодом бурного развития ядерной физики. Стало ясно, что ядерные реакции можно использовать для получения огромной энергии из мизерного количества топлива. От взрыва первой ядерной бомбы до первой АЭС прошло всего девять лет, и когда в 1952 году была испытана водородная бомба, появились прогнозы, что уже в 1960-х вступят в строй термоядерные электростанции. Увы, эти надежды не оправдались.

Основной источник энергии для человечества в настоящее время — сжигание угля, нефти и газа. Но их запасы ограничены, а продукты сгорания загрязняют окружающую среду. Угольная электростанция дает больше радиоактивных выбросов, чем АЭС такой же мощности! Так почему же мы до сих пор не перешли на ядерные источники энергии? Причин тому много, но главной из них в последнее время стала радиофобия. Несмотря на то что угольная электростанция даже при штатной работе вредит здоровью куда большего числа людей, чем аварийные выбросы на АЭС, она делает это тихо и незаметно для публики. Аварии же на АЭС сразу становятся главными новостями в СМИ, вызывая общую панику (часто совершенно необоснованную). Впрочем, это вовсе не означает, что у ядерной энергетики нет объективных проблем. Немало хлопот доставляют радиоактивные отходы: технологии работы с ними все еще крайне дороги, и до идеальной ситуации, когда все они будут полностью перерабатываться и использоваться, еще далеко.

a506c234f2bfbbc206ecc5f66ae2fbf0.jpg
Из всех термоядерных реакций в ближайшей перспективе интересны лишь четыре: дейтерий+дейтерий (продукты - тритий и протон, выделяемая энергия 4,0 МэВ), дейтерий+дейтерий (гелий-3 и нейтрон, 3,3 МэВ), дейтерий+тритий (гелий-4 и нейтрон, 17,6 МэВ) и дейтерий+гелий-3 (гелий-4 и протон, 18,2 МэВ). Первая и вторая реакции идут параллельно с равной вероятностью. Образующиеся тритий и гелий-3 «сгорают» в третьей и четвертой реакциях.

От деления к синтезу

Потенциально решить эти проблемы позволяет переход от реакторов деления к реакторам синтеза. Если типичный реактор деления содержит десятки тонн радиоактивного топлива, которое преобразуется в десятки тонн радиоактивных отходов, содержащих самые разнообразные радиоактивные изотопы, то реактор синтеза использует лишь сотни граммов, максимум килограммы, одного радиоактивного изотопа водорода — трития. Кроме того, что для реакции требуется ничтожное количество этого наименее опасного радиоактивного изотопа, его производство к тому же планируется осуществлять непосредственно на электростанции, чтобы минимизировать риски, связанные с транспортировкой. Продуктами синтеза являются стабильные (не радиоактивные) и нетоксичные водород и гелий. Кроме того, в отличие от реакции деления, термоядерная реакция при разрушении установки моментально прекращается, не создавая опасности теплового взрыва. Так почему же до сих пор не построено ни одной действующей термоядерной электростанции? Причина в том, что из перечисленных преимуществ неизбежно вытекают недостатки: создать условия синтеза оказалось куда сложнее, чем предполагалось в начале.

Критерий Лоусона

Чтобы термоядерная реакция была энергетически выгодной, нужно обеспечить достаточно высокую температуру термоядерного топлива, достаточно высокую его плотность и достаточно малые потери энергии. Последние численно характеризуются так называемым «временем удержания», которое равно отношению запасённой в плазме тепловой энергии к мощности потерь энергии (многие ошибочно полагают, что «время удержания» – это время, в течение которого в установке поддерживается горячая плазма, но это не так). При температуре смеси дейтерия и трития, равной 10 кэВ (примерно 110 000 000 градусов), нам нужно получить произведение числа частиц топлива в 1 см3 (т.е. концентрации плазмы) на время удержания (в секундах) не менее 1014. При этом неважно, будет ли у нас плазма с концентрацией 1014 см-3 и временем удержания 1 с, или плазма с концентрацией 1023 и время удержания 1 нс. Это критерий называется «критерием Лоусона».

Кроме критерия Лоусона, отвечающего за получение энергетически выгодной реакции, существует ещё критерий зажигания плазмы, который для дейтерий-тритиевой реакции примерно втрое больше критерия Лоусона. «Зажигание» означает, что той доли термоядерной энергии, что остаётся в плазме, будет хватать для поддержания необходимой температуры, и дополнительный нагрев плазмы больше не потребуется.

Z-пинч

Первым устройством, в котором планировалось получить управляемую термоядерную реакцию, стал так называемый Z-пинч. Эта установка в простейшем случае состоит всего из двух электродов, находящихся среде дейтерия (водорода-2) или смеси дейтерия и трития, и батареи высоковольтных импульсных конденсаторов. На первый взгляд кажется, что она позволяет получить сжатую плазму, разогретую до огромной температуры: именно то, что нужно для термоядерной реакции! Однако в жизни все оказалось, увы, далеко не так радужно. Плазменный жгут оказался неустойчивым: малейший его изгиб приводит к усилению магнитного поля с одной стороны и ослаблению с другой, возникающие силы еще больше увеличивают изгиб жгута — и вся плазма «вываливается» на боковую стенку камеры. Жгут неустойчив не только к изгибу, малейшее его утоньшение приводит к усилению в этой части магнитного поля, которое еще сильнее сжимает плазму, выдавливая ее в оставшийся объем жгута, пока жгут не будет окончательно «передавлен». Передавленная часть обладает большим электрическим сопротивлением, так что ток обрывается, магнитное поле исчезает, и вся плазма рассеивается.

f4eb039f6a97ebf39ae043f1ef777bcd.jpg
Принцип работы Z-пинча прост: электрический ток порождает кольцевое магнитное поле, которое взаимодействует с этим же током и сжимает его. В результате плотность и температура плазмы, через которую течёт ток, возрастают.

Стабилизировать плазменный жгут удалось, наложив на него мощное внешнее магнитное поле, параллельное току, и поместив в толстый проводящий кожух (при перемещении плазмы перемещается и магнитное поле, что индуцирует в кожухе электрический ток, стремящийся вернуть плазму на место). Плазма перестала изгибаться и пережиматься, но до термоядерной реакции в сколько-нибудь серьезных масштабах все равно было далеко: плазма касается электродов и отдает им свое тепло.

Современные работы в области синтеза на Z-пинче предполагают еще один принцип создания термоядерной плазмы: ток протекает через трубку из плазмы вольфрама, которая создает мощное рентгеновское излучение, сжимающее и разогревающее капсулу с термоядерным топливом, находящуюся внутри плазменной трубки, подобно тому, как это происходит в термоядерной бомбе. Однако эти работы имеют чисто исследовательский характер (изучаются механизмы работы ядерного оружия), а выделение энергии в этом процессе все еще в миллионы раз меньше, чем потребление.

dfa56c5de949f9ff8605bef5c6bbf023.jpg
Чем меньше отношение большого радиуса тора токамака (расстояния от центра всего тора до центра поперечного сечения его трубы) к малому (радиусу сечения трубы), тем больше может быть давление плазмы при том же магнитном поле. Уменьшая это отношение, учёные перешли от круглого сечения плазмы и вакуумной камеры к D-образному (в этом случае роль малого радиуса выполняет половина высоты сечения). У всех современных токамаков форма сечения именно такая. Предельным случаем стал так называемый «сферический токамак». В таких токамаках вакуумная камера и плазма имеют почти сферическую форму, за исключением узкого канала, соединяющего полюса сферы. В канале проходят проводники магнитных катушек. Первый сферический токамак, START, появился лишь в 1991-м году, так что это достаточно молодое направление, но оно уже показало возможность получить то же давление плазмы при втрое меньшем магнитном поле.

Пробкотрон, стелларатор, токамак

Другой вариант создания необходимых для реакции условий — так называемые открытые магнитные ловушки. Самая известная из них — «пробкотрон»: труба с продольным магнитным полем, которое усиливается на ее концах и ослабевает в середине. Увеличенное на концах поле создает «магнитную пробку» (откуда русское название), или «магнитное зеркало» (английское — mirror machine), которое удерживает плазму от выхода за пределы установки через торцы. Однако такое удержание неполное, часть заряженных частиц, движущихся по определенным траекториям, оказывается способной пройти через эти пробки. А в результате столкновений любая частица рано или поздно попадет на такую траекторию. Кроме того, плазма в пробкотроне оказалась еще и неустойчивой: если в каком-то месте небольшой участок плазмы удаляется от оси установки, возникают силы, выбрасывающие плазму на стенку камеры. Хотя базовая идея пробкотрона была значительно усовершенствована (что позволило уменьшить как неустойчивость плазмы, так и проницаемость пробок), к параметрам, необходимым для энергетически выгодного синтеза, на практике даже приблизиться не удалось.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Ловушка самоуспокоения: почему мы в нее попадаем и как оттуда выбраться Ловушка самоуспокоения: почему мы в нее попадаем и как оттуда выбраться

Тревожные мысли порой одолевают каждого

Psychologies
Новая Lada Niva Travel: первые впечатления за рулем Новая Lada Niva Travel: первые впечатления за рулем

Дебют обновленной Lada Niva

РБК
Странные железяки и стеклянные шарики: чем на самом деле были непонятные штуки, которые в детстве валялись в каждом дворе Странные железяки и стеклянные шарики: чем на самом деле были непонятные штуки, которые в детстве валялись в каждом дворе

У полезных для детских игр находок было совсем не детское применение

Maxim
В XXI веке кардинально изменилась статистика по супружеским изменам. Угадай, что произошло? В XXI веке кардинально изменилась статистика по супружеским изменам. Угадай, что произошло?

Опубликована полная статистика супружеских измен за последние 20 лет

Maxim
5 лучших хорроров, чтобы не скучать в пандемию: часть 2 5 лучших хорроров, чтобы не скучать в пандемию: часть 2

Хорроры, которые помогут скоротать вечера и немного пощекотать нервы

Популярная механика
Самые странные вещи, которыми снабжали заключенных в тюрьмах мира Самые странные вещи, которыми снабжали заключенных в тюрьмах мира

О самых странных вещах, которыми в разные времена снабжали заключенных в тюрьмах

Maxim
Анонимные трудоголики: почему чрезмерный труд приносит больше вреда, чем пользы Анонимные трудоголики: почему чрезмерный труд приносит больше вреда, чем пользы

Антрополог, который отрицает все, что транслирует вам начальство

GQ
Как писать американскую прозу: фрагмент эссе американского писателя и многолетнего автора Esquire Филипа Рота Как писать американскую прозу: фрагмент эссе американского писателя и многолетнего автора Esquire Филипа Рота

Фрагмент знаменитого эссе «Как писать американскую прозу» Филипа Рота

Esquire
Космические тоннели Космические тоннели

Существуют ли кротовые норы?

Популярная механика
Как сохранить крестец здоровым: упражнения для людей любого возраста Как сохранить крестец здоровым: упражнения для людей любого возраста

Как сохранить здоровье крестца и всего организма?

Psychologies
Парни поделились главными вещами, которым их научили отцы Парни поделились главными вещами, которым их научили отцы

Эти отцовские уроки запоминаются на всю жизнь

Playboy
Суп из мальчика, беременная Рапунцель: шокирующие детали сказок братьев Гримм Суп из мальчика, беременная Рапунцель: шокирующие детали сказок братьев Гримм

Почитайте сказки братьев Гримм без цензуры!

Cosmopolitan
Одиноким предоставляется Одиноким предоставляется

Старостью с сорока кошками и одиночеством женщин пугают весьма безуспешно

Cosmopolitan
Вкусные ловушки Вкусные ловушки

Избыток жиров и сахара бывает и в продуктах, на которые сразу и не подумаешь

Лиза
Управляя гневом Управляя гневом

Чему Кэри Маллиган научилась у своей новой героини?

OK!
Плазменные чудеса: от пистолета до медицины Плазменные чудеса: от пистолета до медицины

Реальные фантастические профессии плазмы

Популярная механика
Узнай по прошлому девушки, с какими сложностями в отношениях ты столкнешься Узнай по прошлому девушки, с какими сложностями в отношениях ты столкнешься

Что тебя ждет в обществе новой барышни?

Maxim
Раскрыта причина затопления советско-российской космической станции «Мир» Раскрыта причина затопления советско-российской космической станции «Мир»

Юрий Коптев озвучил причины затопления первой в мире орбитальной станции «Мир»

Популярная механика
От записи рэпа в 2007-м до проектов с «Яндексом»​ и «Газпром нефтью»: как студия из Тольятти делает звуки для бизнеса От записи рэпа в 2007-м до проектов с «Яндексом»​ и «Газпром нефтью»: как студия из Тольятти делает звуки для бизнеса

Кто такие дизайнеры звука и сколько они зарабатывают

VC.RU
6 самых жутких врачей в истории 6 самых жутких врачей в истории

После этой статьи ты начнешь обходить районную поликлинику стороной!

Maxim
Детективные фильмы и сериалы, в которых никого не убивают Детективные фильмы и сериалы, в которых никого не убивают

Несколько детективных фильмов и сериалов, в которых не огорчают убийствами

Maxim
Вредные советы: какие стартапы никогда не получат инвестиции Вредные советы: какие стартапы никогда не получат инвестиции

Как точно не привлечь деньги венчурных инвесторов

Forbes
6 сигналов того, что ваш партнер ведет себя незрело 6 сигналов того, что ваш партнер ведет себя незрело

Определить эмоциональную незрелость другого человека не так-то просто

Psychologies
Шок-система: нарасти полкило мышц за 1 час в неделю Шок-система: нарасти полкило мышц за 1 час в неделю

Шоковая система тренировок!

Maxim
Зеркальные нейтроны снизили предел массы нейтронных звезд Зеркальные нейтроны снизили предел массы нейтронных звезд

Свойства зеркального вещества ограничиваются из астрофизических наблюдений

N+1
Читаем свои руки: что такое хиромантия и как ее использовать в личных целях Читаем свои руки: что такое хиромантия и как ее использовать в личных целях

О чем нам могут рассказать наши ладони?

Cosmopolitan
Химики создали искусственные сухожилия Химики создали искусственные сухожилия

Этот полимер, сравним по прочности, эластичности и долговечности с сухожилиями

N+1
Клиенты, сервисы, безопасность: опыт ВТБ в преодолении последствий пандемии Клиенты, сервисы, безопасность: опыт ВТБ в преодолении последствий пандемии

Для банковского рынка и его клиентов 2020 год оказался неплохим

Forbes
Правила жизни Айн Рэнд Правила жизни Айн Рэнд

Писатель, скончалась в 1982 году в Нью-Йорке

Esquire
Современные антипапы: игра святых престолов Современные антипапы: игра святых престолов

Идея папства как залога церковного единства

Weekend
Открыть в приложении