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
Готовим за 30 минут: 5 рецептов быстрого и изысканного завтрака Готовим за 30 минут: 5 рецептов быстрого и изысканного завтрака

Пять рецептов необычных блюд, которые отлично подходят для завтрака

Cosmopolitan
Как в реальности выглядели участники группы Дятлова, о которых сняли сериал? Как в реальности выглядели участники группы Дятлова, о которых сняли сериал?

Насколько сериал «Перевал Дятлова» соответствовал действительности?

Cosmopolitan
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
Гликемический индекс продуктов: на что влияет и поможет ли похудеть Гликемический индекс продуктов: на что влияет и поможет ли похудеть

Гликемический индекс продуктов надо учитывать тем, кто контролирует свое питание

РБК
Ровно и дерзко: новый кроссовер Mazda приехал в Россию Ровно и дерзко: новый кроссовер Mazda приехал в Россию

Новая Mazda CX-30 — это, по сути, приподнятая и немного увеличенная Mazda3

Forbes
Меню для комиссара Мегрэ Меню для комиссара Мегрэ

Рецепты из книги «Кухни знаменитых детективов» Алексея Биргера

СНОБ
Бодипозитив: свобода быть собой Бодипозитив: свобода быть собой

Бодипозитив ассоциируется у многих исключительно с отталкивающей картинкой

Psychologies
Как очистить кэш Яндекс Браузера на ПК и смартфоне Как очистить кэш Яндекс Браузера на ПК и смартфоне

Несколько способов очистить кэш браузера Яндекс

CHIP
Семь городов-призраков, которые вдруг покинули люди Семь городов-призраков, которые вдруг покинули люди

Подборка заброшенных городов мира для истинных ценителей уединения

Maxim
10 старых романтических комедий, прошедших испытание временем 10 старых романтических комедий, прошедших испытание временем

10 старых прогрессивных романтических комедий, сильно опередивших свое время

Esquire
Интервью: «Дружба помогает узнать, кто я» Интервью: «Дружба помогает узнать, кто я»

Отношения, без которых мы не стали бы собой

Psychologies
В бирманском янтаре нашли шипастую гусеницу возрастом 100 миллионов лет В бирманском янтаре нашли шипастую гусеницу возрастом 100 миллионов лет

Одна из немногих гусениц, известных из мелового периода

N+1
Одна вокруг света: долина вулканов и песчаная буря на озере Одна вокруг света: долина вулканов и песчаная буря на озере

109 серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки Греты

Forbes
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
«Если имеешь свою позицию, отстаивай ее до конца»: пять девушек из TikTok о том, почему они сняли ролики о протестах «Если имеешь свою позицию, отстаивай ее до конца»: пять девушек из TikTok о том, почему они сняли ролики о протестах

Блогеры TikTok рассказали, почему в России так долго ничего не меняется

Forbes
Ты 2.0: тотальный апгрейд секса, доходов и здоровья! Ты 2.0: тотальный апгрейд секса, доходов и здоровья!

Займись тотальным апгрейдом себя!

Maxim
Так почему же ночью небо тёмное? Так почему же ночью небо тёмное?

Чтобы понять, почему небо темнеет ночью, нужно понять устройство Вселенной

Наука и жизнь
«Без везения не обошлось. Но должно быть что-то больше, чем везение»: Юрий Мильнер о принципах, инвестициях и космосе «Без везения не обошлось. Но должно быть что-то больше, чем везение»: Юрий Мильнер о принципах, инвестициях и космосе

Главное из большого интервью Юрия Мильнера проекту «Русские норм»

VC.RU
Poker face: как блеф может изменить твою жизнь Poker face: как блеф может изменить твою жизнь

Рейтинг самых лучших блефов в истории

Maxim
Разошлись в показателях: почему KPI часто вредят бизнесу в долгосрочной перспективе Разошлись в показателях: почему KPI часто вредят бизнесу в долгосрочной перспективе

Ключевые показатели эффективности могут сыграть злую шутку с бизнесом

Forbes
Роман Балаян: «Не знаю, мое ли это призвание — режиссура, но мне она стала судьбой» Роман Балаян: «Не знаю, мое ли это призвание — режиссура, но мне она стала судьбой»

Режиссер Роман Балаян о съемках Алексея Германа и работе с Олегом Янковским

Караван историй
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
Маршрут на выходные: космические пейзажи Северной Осетии Маршрут на выходные: космические пейзажи Северной Осетии

Северная Осетия — роскошные отели и заброшенные деревни.

GQ
Разговор на кухне Разговор на кухне

О самых свежих трендах в организации кухонных пространств

SALON-Interior
Семь грехов памяти: почему забытые слова вертятся на языке Семь грехов памяти: почему забытые слова вертятся на языке

Дэниел Шектер изучает ошибки памяти и разделяет их на несколько категорий

Forbes
7 типов плохих начальников, которые уверены, что они хорошие 7 типов плохих начальников, которые уверены, что они хорошие

Типы руководителей, которые мешают работе и карьере подчиненных

Psychologies
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
TESS нашел молодую экзопланетную систему в звездном потоке Рыбы-Эридан TESS нашел молодую экзопланетную систему в звездном потоке Рыбы-Эридан

Астрономы отыскали очень молодую экзопланетную систему

N+1
Тюркские юрты, саамский футбол, хоомей и тихий Дон: куда поехать, чтобы познакомиться с культурой народов России Тюркские юрты, саамский футбол, хоомей и тихий Дон: куда поехать, чтобы познакомиться с культурой народов России

Пять российских этнопарков, раскрывающих разные стороны России

Forbes
Открыть в приложении