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

13,5 важнейших революций 13,5 важнейших революций

Краткий обзор революций, перевернувших мир

Maxim
3D-печать удешевит создание ионных двигателей для кубсатов 3D-печать удешевит создание ионных двигателей для кубсатов

Новый двигатель получился размером с монету

N+1
Сексуальность и сексапильность. В чем разница? Сексуальность и сексапильность. В чем разница?

Когда мы говорим «она/он выглядит очень сексуально», что мы имеем в виду?

СНОБ
«Хорошо сохранилась»: что делает Дженнифер Энистон, чтобы круто выглядеть в 52 «Хорошо сохранилась»: что делает Дженнифер Энистон, чтобы круто выглядеть в 52

Любимые бьюти-приемы Дженнифер Энистон, помогающие ей выглядеть молодой

Cosmopolitan
Правила жизни Юбера де Живанши Правила жизни Юбера де Живанши

Правила жизни модельера и основателя модного дома Givenchy Юбера де Живанши

Esquire
Великий матриархат: как Рената Литвинова сняла фэнтези о феминизме и России Великий матриархат: как Рената Литвинова сняла фэнтези о феминизме и России

Рената Литвинова сняла фильм, который совмещает фэнтези и феминистский подтекст

Forbes
Самые интересные факты про Джона Траволту Самые интересные факты про Джона Траволту

Звезда, которая нас покинула, чтобы вернуться сквозь годы

Maxim
Белковая диета – способ похудеть и удержать вес Белковая диета – способ похудеть и удержать вес

Белковая диета на две недели позволяет похудеть и долго удерживать вес

Cosmopolitan
Тут Русью пахнет Тут Русью пахнет

Отечественные дизайнеры все чаще находят источник вдохновения на родной почве

Vogue
Мал, да удал: мини-сериалы 2020-го года, от которых невозможно оторваться! Мал, да удал: мини-сериалы 2020-го года, от которых невозможно оторваться!

Лучшие мини-сериалы 2020-го года

Cosmopolitan
В израильском зоопарке обнаружили два одинаковых римских саркофага В израильском зоопарке обнаружили два одинаковых римских саркофага

Памятники античной эпохи оказались открыты заново

N+1
5 самых грозных двуручных мечей Средневековья 5 самых грозных двуручных мечей Средневековья

Самые популярные виды двуручных мечей

Популярная механика
7 обычных продуктов, которые смертельно опасны, если их съесть слишком много 7 обычных продуктов, которые смертельно опасны, если их съесть слишком много

Ты наверняка и не подозревал, что в твоем кухонном шкафу есть яды!

Maxim
Бизнесмен Тихон Смыков вспоминает, как в России появились Nokia, Apple, Nike и LEGO Бизнесмен Тихон Смыков вспоминает, как в России появились Nokia, Apple, Nike и LEGO

Тихон Смыков о том, как отечественный рынок ретейла поднимался с колен

GQ
Меню для кормящей мамы в первые месяцы: рацион для двоих Меню для кормящей мамы в первые месяцы: рацион для двоих

Как найти правильное питание для женщины в период лактации

Cosmopolitan
«Хаббл» рассмотрел комету-трансформер «Хаббл» рассмотрел комету-трансформер

Астрономы изучили комету, которая изначально была троянским астероидом

N+1
Блефаропластика: открываем глаза на хирургию век — фотографии до и после Блефаропластика: открываем глаза на хирургию век — фотографии до и после

Блефаропластика – операция, которая действительно может творить чудеса с глазами

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

Алгоритм, который синтезирует восстановленный звук

N+1
Зеркальные нейтроны снизили предел массы нейтронных звезд Зеркальные нейтроны снизили предел массы нейтронных звезд

Свойства зеркального вещества ограничиваются из астрофизических наблюдений

N+1
Пять самых известных политзаключенных Пять самых известных политзаключенных

Самые известные политзаключенные в истории

Maxim
Невероятная судьба: как бывший наркозависимый бродяга стал профессором Невероятная судьба: как бывший наркозависимый бродяга стал профессором

Вдохновляющая история о человеке, который полностью поменял свою жизнь

Psychologies
Люди вынудили диких животных преодолевать более значительные расстояния Люди вынудили диких животных преодолевать более значительные расстояния

Это может угрожать существованию целых видов

N+1
10 стран с самым грязным воздухом 10 стран с самым грязным воздухом

Топ-10 стран, лидирующих по выбросу углекислого газа

Популярная механика
Как астроном Персиваль Лоурелл увидел на Венере таинственные спицы и чем они в итоге оказались Как астроном Персиваль Лоурелл увидел на Венере таинственные спицы и чем они в итоге оказались

Как Персиваль Лоурелл нашел доказательства жизни на Марсе

Maxim
«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
Был спрос, деньги и помощь Disney, но все равно обанкротились: как провалился перспективный бренд мороженого Ample Hills Был спрос, деньги и помощь Disney, но все равно обанкротились: как провалился перспективный бренд мороженого Ample Hills

Что будет, если вложить в рост бизнеса миллионы, но экономить на оборудовании

VC.RU
«Секретная война»: Никиту Хрущева обвинили в убийстве Джона Кеннеди «Секретная война»: Никиту Хрущева обвинили в убийстве Джона Кеннеди

Бывший глава ЦРУ выдвинул внезапную версию убийства Кеннеди

Cosmopolitan
Узнай, кем станет твой ребенок, по игрушкам, в которые он играет Узнай, кем станет твой ребенок, по игрушкам, в которые он играет

То, с чем играет твой ребенок, может определить его судьбу

Maxim
«То появляется, то исчезает» «То появляется, то исчезает»

Интервью с ученым о «хлороводородном сезоне» на Марсе

N+1
Как менялся образ Джеймса Бонда Как менялся образ Джеймса Бонда

Как менялся главный британский шпион

GQ
Открыть в приложении