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
7 нелепых теорий древних ученых о сексе 7 нелепых теорий древних ученых о сексе

Человечество занималось подробным изучением секса задолго до появления ученых

Maxim
4 самых распространенных пикантных сна и их значение 4 самых распространенных пикантных сна и их значение

Нормально ли видеть эротические сны?

Playboy
Свет заставил полимерные диски левитировать в условиях мезосферы Свет заставил полимерные диски левитировать в условиях мезосферы

Ученые изготовили полимерные диски, способные летать в вакууме

N+1
«Не хочу быть как родители»: ищем для себя новую ролевую модель «Не хочу быть как родители»: ищем для себя новую ролевую модель

Как выбрать подходящий образец для подражания?

Psychologies
Что общего у вина и оперы? Разговор с певицей и винным экспертом Что общего у вина и оперы? Разговор с певицей и винным экспертом

Начать знакомство с миром вина и оперы — несложно и очень увлекательно

РБК
13,5 вещей с аппетитными названиями, которые несъедобны и даже смертельны 13,5 вещей с аппетитными названиями, которые несъедобны и даже смертельны

Выплюнь это немедленно!

Maxim
Почему спорить в интернете вредно и как с этим быть Почему спорить в интернете вредно и как с этим быть

Влияет ли на здоровье полемика в социальных сетях? Оказывается, да

РБК
Что посмотреть и попробовать в Туве. Гид «РБК Стиль» Что посмотреть и попробовать в Туве. Гид «РБК Стиль»

Гид по самой загадочной республике России, где есть ларьки и нет супермаркетов

РБК
Икра со вкусом виски или как наука воплощает самые смелые фантазии человека Икра со вкусом виски или как наука воплощает самые смелые фантазии человека

Какой будет еда будущего

Популярная механика
Ретабло – древнейшее из искусств Ретабло – древнейшее из искусств

Ретабло – картины, которые жертвуют церквям в благодарность о помощи святых

Вокруг света
Мощные ледниковые щиты за последние 150 тысяч лет дважды опреснили Северный Ледовитый океан Мощные ледниковые щиты за последние 150 тысяч лет дважды опреснили Северный Ледовитый океан

Арктика превращается в изолированный пресноводный резервуар

N+1
Вскрытие покажет Вскрытие покажет

Отечественные ученые предложили технологию переработки старых литиевых батарей

Эксперт
Пусть мама услышит Пусть мама услышит

Психолог: как взрослой женщине построить здоровые отношения с матерью

Cosmopolitan
Роскошные платья, любовь и настоящие мужчины: 15 захватывающих ретросериалов Роскошные платья, любовь и настоящие мужчины: 15 захватывающих ретросериалов

Подборка ретросериалов, где время становится одним из действующих лиц

Cosmopolitan
Джастин Тимберлейк в «Палмере» примеряет на себя амплуа разочарованного социопата Джастин Тимберлейк в «Палмере» примеряет на себя амплуа разочарованного социопата

«Палмер» — драматическая картина о дружбе

GQ
Снова как девочки! 8 причесок, которые молодят звезд после 35 Снова как девочки! 8 причесок, которые молодят звезд после 35

Мы собрали самые удачные прически голливудских знаменитостей

Cosmopolitan
Спокойно, все под контролем Спокойно, все под контролем

Где Селена Гомес нашла свою зону комфорта и чем ей пришлось пожертвовать?

Glamour
Фитнес: начало Фитнес: начало

Добавить немного физической активности после долгой зимы

Худеем правильно
Тело как улика Тело как улика

Бодинейтральность – новая тенденция, которая приходит на смену бодипозитиву

Cosmopolitan
Как сыграть на гитаре с помощью киберруки Как сыграть на гитаре с помощью киберруки

Компания «Моторика» привлекла 400 млн рублей венчурных инвестиций

Эксперт
Билет в один конец Билет в один конец

Илон Маск мечтает умереть на Марсе, и он по-своему прав

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
8 звезд, у которых неидеальные стопы. Но они вообще не комплексуют! 8 звезд, у которых неидеальные стопы. Но они вообще не комплексуют!

Если ты переживаешь из-за своей внешности, бери пример с голливудских богинь

Cosmopolitan
Устанавливаем границы в отношениях с близкими: 6 шагов Устанавливаем границы в отношениях с близкими: 6 шагов

Установить здоровые границы необходимо для того, чтобы сделать отношения крепче

Psychologies
«Искусство статистики. Как находить ответы в данных» «Искусство статистики. Как находить ответы в данных»

Выводы из данных — процесс «индуктивного умозаключения»

N+1
Задачи маршрутизации адаптировали к квантовым вычислениям Задачи маршрутизации адаптировали к квантовым вычислениям

Правильная формулировка задачи может уменьшить число кубитов

N+1
«Если я не смогу победить, то хотя бы буду смелым»: как устроена спортивная благотворительность в России «Если я не смогу победить, то хотя бы буду смелым»: как устроена спортивная благотворительность в России

Кто развивает спортивно-социальные благотворительные проекты в России

Forbes
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
Убрать излишки Убрать излишки

С чего начать, если вы решили привести себя в порядок после затянувшейся зимы?

Здоровье
Открыть в приложении