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

Алкогений №75: Л. И. Брежнев Алкогений №75: Л. И. Брежнев

Леонид Ильич Брежнев не был алкоголиком ельцинского калибра

Maxim
Спала с сыном, отрезала голову мужу: последняя женщина, которую сожгли на костре Спала с сыном, отрезала голову мужу: последняя женщина, которую сожгли на костре

История последней женщины, которую сожгли на костре

Cosmopolitan
Менуэт Менуэт

Новая парода кошек, названная в честь Наполеона

Weekend
Что приготовить из консервированного тунца, найденного в холодильнике: 8 крутых рецептов Что приготовить из консервированного тунца, найденного в холодильнике: 8 крутых рецептов

Что приготовить из тунца, консервированного в масле?

Playboy
«Убийство Уильяма Норвичского. Происхождение кровавого навета в средневековой Европе» «Убийство Уильяма Норвичского. Происхождение кровавого навета в средневековой Европе»

Медиевист заново рассматривает обстоятельства смерти Уильяма Норвичского

N+1
Отрывок из книги Ирины Левонтиной «Честное слово» Отрывок из книги Ирины Левонтиной «Честное слово»

Книга с рассказами и эссе об отдельных словах и выражениях русского языка

СНОБ
Луиза Розова: «Строить планы мести – для меня это из разряда кармического самоубийства» Луиза Розова: «Строить планы мести – для меня это из разряда кармического самоубийства»

Первое интервью девушки, которую называют третьей дочерью Владимира Путина

GQ
Какаду помогли австралийцам прополоть газоны Какаду помогли австралийцам прополоть газоны

Большие желтохохлые какаду оказались отличными садовниками

N+1
«Я не могу без тебя»: о чем говорит это послание? «Я не могу без тебя»: о чем говорит это послание?

Психиатр — о том, что такое расстройство сепараторной тревоги

Psychologies
«Зеленый» разворот: опасна ли политика Байдена для нефтегазового бизнеса «Зеленый» разворот: опасна ли политика Байдена для нефтегазового бизнеса

Новый президент Америки провозгласил курс на «зеленую» энергетику

Forbes
На вторых ролях: почему ни один из топ-менеджеров Amazon не стал миллиардером На вторых ролях: почему ни один из топ-менеджеров Amazon не стал миллиардером

Что известно о Энди Ясси и почему он так и не стал миллиардером?

Forbes
10 потрясающих особенностей Плутона 10 потрясающих особенностей Плутона

Станция «Новые горизонты» достигла Плутона: какую информацию удалось собрать

Популярная механика
Менсплейнинг — зло: женщины поделились историями, когда мужчины с умным видом втирали им очевидное Менсплейнинг — зло: женщины поделились историями, когда мужчины с умным видом втирали им очевидное

Как мужчины поучают женщин, независимо от того, насколько они сами компетентны

Playboy
Не только букеты в вазе: почему флористический декор стал интерьерным трендом и как украсить свой дом цветами Не только букеты в вазе: почему флористический декор стал интерьерным трендом и как украсить свой дом цветами

Как можно использовать цветы в украшении интерьера

Esquire
«То появляется, то исчезает» «То появляется, то исчезает»

Интервью с ученым о «хлороводородном сезоне» на Марсе

N+1
Добродетель умеренности: как научиться жить (недолго) без воды, еды и общества Добродетель умеренности: как научиться жить (недолго) без воды, еды и общества

Есть в этом мире вещи, без которых тебе действительно крышка

Maxim
Что наблюдать на небе в феврале: «весенние» галактики и Веста во Льве Что наблюдать на небе в феврале: «весенние» галактики и Веста во Льве

В феврале уже пора наблюдать «весенние» галактики

N+1
58 лет вместе: роман Андрея Мягкова и Анастасии Вознесенской длиною в жизнь 58 лет вместе: роман Андрея Мягкова и Анастасии Вознесенской длиною в жизнь

Андрей Мягков и Анастасия Вознесенская доказали, что любовь живет всю жизнь

Cosmopolitan
Нейросеть озвучила беззвучную игру на фортепиано Нейросеть озвучила беззвучную игру на фортепиано

Алгоритм, который синтезирует восстановленный звук

N+1
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
Русская соборность 1921 года: несостоявшееся и состоявшееся Русская соборность 1921 года: несостоявшееся и состоявшееся

Церковный собор весной 1921 года и кровавые репрессии

Наука
Как одиночное заключение спасло узника от извержения вулкана Как одиночное заключение спасло узника от извержения вулкана

Во время извержения вулкана Мон-Пеле погибло почти все население города Сен-Пьер

Maxim
Эффект Кулиджа: почему секс заканчивается, и при чем здесь американский президент? Эффект Кулиджа: почему секс заканчивается, и при чем здесь американский президент?

У вас не кризис, а эволюционное стратегическое спаривание перестало работать

GQ
«День сурка»: плюсы и минусы рутины «День сурка»: плюсы и минусы рутины

Почему рутинная жизнь может выматывать, а может умиротворять

Psychologies
МКС скоро оборудуют новым суперкомпьютером МКС скоро оборудуют новым суперкомпьютером

Суперкомпьютер SBC-2 будет отправлен на МКС

Популярная механика
С вами говорит телевизор С вами говорит телевизор

Татьяна Алешичева о сериале «Ванда/Вижен», умном супергеройском ситкоме

Weekend
Корпорации узнали о менопаузе: как меняется аудитория фемтех-стартапов Корпорации узнали о менопаузе: как меняется аудитория фемтех-стартапов

Сфера фемтех-стартапов за последние два года существенно выросла

Forbes
Совсем не скучно: документальные фильмы про маньяков Совсем не скучно: документальные фильмы про маньяков

Документальные фильмы, рассказывающие о чудовищных преступлениях

Cosmopolitan
Святой Валентин, что ты делаешь, прекрати! Святой Валентин, что ты делаешь, прекрати!

Самые запутанные любовные истории звезд, от которых голова идет кругом

Лиза
Джентльмен в деталях: почему Кларк Гейбл безупречно выглядел — в костюме и не только Джентльмен в деталях: почему Кларк Гейбл безупречно выглядел — в костюме и не только

Кларк Гейбл одевался как образцовый джентльмен, а секрет его стиля был в деталях

Esquire
Открыть в приложении