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

Что такое бокс: инструкция для начинающих Что такое бокс: инструкция для начинающих

Рассказываем, почему бокс не так опасен, как кажется, и как начать им заниматься

РБК
Возрожденная британская популяция журавлей преодолела рубеж в двести особей Возрожденная британская популяция журавлей преодолела рубеж в двести особей

Как в Великобритании восстанавливают популяцию журавлей

N+1
Как поддерживать сотрудников, когда на улицах бьют и «винтят» людей Как поддерживать сотрудников, когда на улицах бьют и «винтят» людей

Что нужно делать, чтобы вывести свою команду на новый уровень сплоченности

Inc.
Биологи разработали два новых метода терапии гепатита B Биологи разработали два новых метода терапии гепатита B

РНК-интерференция интерферона смогут снизить активность вируса гепатита В

N+1
Томография древней мумии выявила страшные подробности насильственной смерти Томография древней мумии выявила страшные подробности насильственной смерти

В мумиях есть что-то, что всегда очаровывает людей

Популярная механика
Тест: Что сообщают ваши сновидения? Тест: Что сообщают ваши сновидения?

Все сновидения могут по-новому осветить нашу жизнь, страхи и желания

Psychologies
Как мир стал многоклеточным Как мир стал многоклеточным

Короткая жизнь биолога Алексея Захваткина увенчалась открытием мирового значения

Наука
Актер + актриса: почему распадаются красивые звездные пары Актер + актриса: почему распадаются красивые звездные пары

Психологи: знаменитостям не чужды кризисы, через которые проходят пары

Cosmopolitan
Как разговаривать с подростками о политике Как разговаривать с подростками о политике

Расскажи сыну про митинги, либерализм и демократию

Maxim
Всё ниже, и ниже, и ниже Всё ниже, и ниже, и ниже

Аппарат «Витязь-Д» совершил погружение на дно Марианской впадины

Наука
Выстрел в голову: всегда ли это смертельно Выстрел в голову: всегда ли это смертельно

Разобрались, что происходит при пулевом ранении в голову и какой шанс выжить

Популярная механика
Эскалация конфликта: как холодные гражданские войны становятся «горячими» Эскалация конфликта: как холодные гражданские войны становятся «горячими»

Почему роль насилия в российской политике возрастает

Forbes
Почему в корпорации исчезает атмосфера стартапа: опыт главы Waze, который боролся за свободу внутри Google и сдался Почему в корпорации исчезает атмосфера стартапа: опыт главы Waze, который боролся за свободу внутри Google и сдался

Ноам Бардин — что произошло с его независимым стартапом после продажи ИТ-гиганту

VC.RU
Как растет мировая наука Как растет мировая наука

В XXI веке вложения в мировую науку растут быстрее, чем экономика

Эксперт
Гимн насилию, порно, жестокости и кино от Гаспара Ноэ Гимн насилию, порно, жестокости и кино от Гаспара Ноэ

Гордей Петрик сравнивает два фильма Гаспара Ноэ: «Необратимость» и «Вечный свет»

СНОБ
Скандинавский стиль Скандинавский стиль

Мадс Миккельсен — самый сексуальный мужчина Дании

Glamour
Читаем в феврале: 5 книжных новинок для любителей хорошей литературы Читаем в феврале: 5 книжных новинок для любителей хорошей литературы

Салли Руни, Алексей Поляринов и другие книжные новинки в этой подборке

Psychologies
«Истинный сын американского Юга»: Мэттью Макконахи вспоминает советы мамы и детство в Техасе «Истинный сын американского Юга»: Мэттью Макконахи вспоминает советы мамы и детство в Техасе

Отрывок из дневников актера Мэттью Макконахи

Forbes
Насекомые — пища на все времена Насекомые — пища на все времена

Поедание насекомых стимулировало трудовую деятельность наших предков

Наука и жизнь
Веселая вдова: лучшая роль Мишель Пфайффер — женщина, которая неудачно спланировала свою смерть Веселая вдова: лучшая роль Мишель Пфайффер — женщина, которая неудачно спланировала свою смерть

Почему фильм «Уйти не прощаясь» может принести «Оскар» Мишель Пфайффер

Forbes
Какой получилась игра The Medium — первый в истории хоррор с двумя реальностями в одном экране Какой получилась игра The Medium — первый в истории хоррор с двумя реальностями в одном экране

The Medium — самый дорогой проект студии Bloober Team, и это их лучшая игра

Esquire
Как правильно брить подмышки: полное руководство для гладкого результата Как правильно брить подмышки: полное руководство для гладкого результата

К процессу бритья надо подходить с умом

Playboy
Главный подросток мира: стоит ли смотреть документалку о Билли Айлиш Главный подросток мира: стоит ли смотреть документалку о Билли Айлиш

«Билли Айлиш: Слегка размытый мир» — кино про самую главную девочку поколения Z

СНОБ
Так ли страшен глютен: мифы и правда Так ли страшен глютен: мифы и правда

Кому на самом деле нельзя употреблять глютен?

РБК
Не важно, закроется ли Clubhouse: почему у «социального аудио» есть будущее и какие сервисы нужны на этом рынке Не важно, закроется ли Clubhouse: почему у «социального аудио» есть будущее и какие сервисы нужны на этом рынке

Почему рынок «социального аудио» выглядит важным и кто на нем может заработать

VC.RU
Помогает ли зеленый чай похудеть? Правда о популярном напитке Помогает ли зеленый чай похудеть? Правда о популярном напитке

Польза зеленого чая — это миф?

Playboy
Профессии на вес золота Профессии на вес золота

Виктория Порудеева — о новых профессиях и цифровом развитии вузов

Эксперт
Древнейший духовой инструмент из раковины протрубил впервые за 18000 лет Древнейший духовой инструмент из раковины протрубил впервые за 18000 лет

Палеолитический аналог рога изготовили и раскрасили люди мадленской культуры

N+1
Война с алой розой Война с алой розой

Как бороться с розацеа — кожным заболеванием, бичом нашего времени

Tatler
Платье за $2 000 000 и роскошный замок: самые дорогие звездные свадьбы в истории Платье за $2 000 000 и роскошный замок: самые дорогие звездные свадьбы в истории

Самые роскошные звездные свадьбы

Cosmopolitan
Открыть в приложении