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
12 мужских лайфхаков для стирки 12 мужских лайфхаков для стирки

Мы поможем тебе покорить эвересты грязного белья без лишних усилий!

Maxim
«Кто-нибудь видел мою девчонку?» – главный скандал «Кинотавра» – выходит в прокат «Кто-нибудь видел мою девчонку?» – главный скандал «Кинотавра» – выходит в прокат

Фильм по книге Карины Добротворской о муже-кинокритике

GQ
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
Как понять, что девушка обойдется тебе дорого: 10 признаков Как понять, что девушка обойдется тебе дорого: 10 признаков

Есть девушки, на которых уходит целое состояние и последние нервные клетки

Maxim
У вызывающей болезнь Крона бактерии нашли слабое место У вызывающей болезнь Крона бактерии нашли слабое место

Ученые надеются, что открыли ключ к созданию терапии болезни Крона

N+1
Черное без черного Черное без черного

Парадоксы Ренуара и его «Девушек в черном»

Вокруг света
31 способ понять, что за человек перед вами 31 способ понять, что за человек перед вами

Несколько особенностей поведения, которые приоткроют тайну личности близкого

Psychologies
7 подсказок для тех, кого ранит чужая критика 7 подсказок для тех, кого ранит чужая критика

Случалось ли вам слышать от окружающих, что вы на что-то остро реагируете?

Psychologies
Борщевик Сосновского: растение-терминатор или культура будущего Борщевик Сосновского: растение-терминатор или культура будущего

Борщевик — сорняк, с которым невозможно справиться

Наука
Самобытная Россия: нивхи Самобытная Россия: нивхи

Как нивхи пешком пришли на Сахалин с Большой земли

Культура.РФ
9 лучших игр для двоих: свежие идеи для домашнего свидания 9 лучших игр для двоих: свежие идеи для домашнего свидания

Хватит залипать в сериалы!

Playboy
«Кошатники» и «собачники»: 6 принципиальных отличий «Кошатники» и «собачники»: 6 принципиальных отличий

Что выбор питомца говорит о нас самих?

Psychologies
Головастики бразильских квакш покинули безопасные бассейны ради жизни в ручьях Головастики бразильских квакш покинули безопасные бассейны ради жизни в ручьях

Бразильские квакши стали переселяться из мини-водоемов в ручьи: почему?

N+1
Мясное растениеводство Мясное растениеводство

Производством искусственных котлет занялись и стартапы, и крупные агрохолдинги

Forbes
Галадриэль или королева Елизавета I: 10 лучших ролей Кейт Бланшетт Галадриэль или королева Елизавета I: 10 лучших ролей Кейт Бланшетт

Список обязательных к просмотру фильмов с участием Кейт Бланшетт

Cosmopolitan
3 интересных научно-фантастических романа о людях, покинувших Землю 3 интересных научно-фантастических романа о людях, покинувших Землю

Книги, в которых Земля погибла

Популярная механика
Необычные блюда: треска в соусе мисо, шоколадный пирог и суп из потрохов Необычные блюда: треска в соусе мисо, шоколадный пирог и суп из потрохов

Алексей Зимин делится классными рецептами приготовления небанальных блюд

Cosmopolitan
Правда ли, что Маяковский и Есенин ненавидели друг друга? Правда ли, что Маяковский и Есенин ненавидели друг друга?

Маяковский и Есенин в сознании оказались самыми ярыми антагонистами ХХ века

Культура.РФ
Самые известные ниндзя в истории Самые известные ниндзя в истории

Имена тех ниндзя, которых удалось поймать

Maxim
Модная база: выбрали актуальные черные кофты для твоих стильных образов Модная база: выбрали актуальные черные кофты для твоих стильных образов

Черная кофта – универсальная базовая вещь

Cosmopolitan
Уроки бизнеса в русской классике: как плохое ТЗ, русский комплекс неполноценности и скрепы привели к провалу Левши Уроки бизнеса в русской классике: как плохое ТЗ, русский комплекс неполноценности и скрепы привели к провалу Левши

Отрывок из книги «Бесполезная классика» Леонида Клейна

Inc.
И это тоже она! 7 образов Веры Брежневой — от нимфы до дивы И это тоже она! 7 образов Веры Брежневой — от нимфы до дивы

10 фактов о Вере Брежневой

Cosmopolitan
Физики провели химическую реакцию с одним атомом резерфордия Физики провели химическую реакцию с одним атомом резерфордия

Физики экспериментально доказали плохую растворимость гидроксида резерфордия

N+1
Поэтесса на пути к президентству: кто такая Аманда Горман Поэтесса на пути к президентству: кто такая Аманда Горман

Как Аманда Горман вошла в список лидеров будущего Time100 Next?

РБК
Фитнес: начало Фитнес: начало

Добавить немного физической активности после долгой зимы

Худеем правильно
Нетопыри-карлики продемонстрировали самоубийственное влечение к ветрякам Нетопыри-карлики продемонстрировали самоубийственное влечение к ветрякам

Нетопырей-карликов привлекают ветряки

N+1
Animal Crossing назвали не вредной для эмоционального благополучия игрой Animal Crossing назвали не вредной для эмоционального благополучия игрой

Не все видеоигры вредны для психического и эмоционального благополучия

N+1
Производство плитки Производство плитки

Производство едва ли не самого изысканного (и дорогого) шоколада в мире

Robb Report
Практика большого взрыва Практика большого взрыва

Мадс Миккельсен снова пытается применить на практике одну научную теорию

СНОБ
Открыть в приложении