Институт Ядерной Физики (ИЯФ). Российские ученые совершили рывок к "главной задаче физики XXI века" — управляемой термоядерной реакции.
Выбор сделан - токамак плюс
Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен! Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы. Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов. Делается вывод о том, что термоядерные исследования способны выступать и уже выступают мощным драйвером научно-технологического прогресса, механизмом, стимулирующим. Для той же установки NIF моделирование показывает, что термоядерная реакция вроде бы должна при нынешних параметрах запускаться без проблем, но физикам до сих пор не.
#термоядерный синтез
Но коммерческое использование этого достижения — не раньше, чем через несколько десятилетий. Как шутят сами физики, занимающиеся термоядом, через 50 лет или, может быть, на два дня раньше». Действительно, заявления типа «Ученые США впервые в мире смогли получить от термоядерного синтеза больше энергии, чем на него потратили», «Научные прорывы в этой сфере позволят человечеству в будущем полностью отказаться от ископаемого топлива» существенно переоценивают значение эксперимента на установке NIF. Да, полученной «сверхнормативной» энергии хватит, чтобы вскипятить 10—15 чайников. Но журнал Nature напоминает: на работу всей установки потратили 322 МДж; лазеры выдали мощность на топливо, равную 2,05 МДж; конечная реакция произвела 3,15 МДж. Но с точки зрения промышленности все остается на своих местах: потратили 322, получили 3,15», — резюмируют сотрудники Московского инженерно-физического института в Telegram-канале «Эвтектика из МИФИ». Но в этой гонке принципов — токамаки vs инерциальный термояд — как-то оказался отодвинутым на периферию научного и государственного, что важно! Этот сценарий, как бы, зеркально противоположен лазерному термояду.
Если в реакторе NIF происходит внешнее обжатие капли термоядерного топлива, то в пузырьковом варианте, наоборот, нейтроны рождаются в результате экстремального схлопывания газовых пузырьков. Любопытно, что теоретическую схему этого процесса предложил как раз академик Роберт Нигматулин в середине 1990-х. По крайней мере в 1995 году он уже выступал с докладом «Перспективы пузырькового термояда» на научной конференции в США. Несколько американских физиков заинтересовались теоретическими выкладками российского ученого, и начались «камерные» лабораторные эксперименты. Действие лабораторной термоядерной установки основано на эффекте акустической кавитации в специально подготовленной жидкости, подвергнутой воздействию акустической волны, образуется кластер мельчайших пузырьков, которые с огромной скоростью схлопываются. Все происходило в небольшом цилиндре с ацетоном, в котором ядра водорода были заменены ядрами дейтерия, имеющими в своем составе по дополнительному нейтрону. Ученые зарегистрировали поток нейтронов, вылетающих из камеры, где находился цилиндр с ацетоном.
Это и появление ядер трития в облученном таким образом ацетоне — явные признаки термоядерной реакции. А в середине нулевых в одном из номеров журнала Physical Review Е оявилось сообщение группы физиков из двух американских институтов Окриджская национальная лаборатория, штат Теннесси, и Ренселлерский политехнический институт в Трое, штат Нью-Йорк о том, что им вторично удалось получить доказательства существования пузырькового термояда. Экспериментаторы «бомбардировали» цилиндр мощными звуковыми волнами и одновременно — высокоэнергичными нейтронами. В результате рождалось скопление воздушных пузырьков диаметром около миллиметра, то есть гораздо более крупных, нежели образуются при воздействии только звуковых волн. Схлопывание пузырьков нагревало дейтерированный ацетон до таких температур, при которых, утверждают физики, уже начинается термоядерная реакция — слияние двух ядер дейтерия в ядро трития с вылетом лишнего нейтрона. Кстати, о температурах. Пузырьковый термояд иногда называют «холодным».
Проработка инженерных деталей затянулась, США то выходили, то возвращались в проект, к нему со временем присоединились Китай, Южная Корея и Индия. Участники разделяли обязанности по финансированию и непосредственным работам, а в 2010 году наконец стартовала подготовка котлована под фундамент будущего комплекса. Его решили строить на юге Франции возле города Экс-ан-Прованс. Так что же такое ITER? Это огромный научный эксперимент и амбициозный энергетический проект по строительству самого большого токамака в мире. Сооружение должно доказать возможность коммерческого использования термоядерного реактора, а также решить возникающие физические и технологические проблемы на этом пути.
Из чего состоит реактор ITER? Токамак — это тороидальная вакуумная камера с магнитными катушками и криостатом массой в 23 тыс. Как уже понятно из определения, у нас есть камера. Глубокая вакуумная камера. В случае с ITER это будет 850 кубометров свободного объема камеры, в котором на старте будет всего 0,1 грамма смеси дейтерия и трития. Вакуумная камера, где и обитает плазма.
Инжектор нейтрального луча и радиочастотный нагрев плазмы до 150 млн градусов. Сверхпроводящие магниты, которые обуздают плазму. Бланкеты, защищающие камеру и магниты от бомбардировки нейтронами и нагрева. Дивертор, который отводит тепло и продукты термоядерной реакции. Инструменты диагностики для изучения физики плазмы. Включают манометры и нейтронные камеры.
Криостат — огромный термос с глубоким вакуумом, который защищает от нагрева магниты и вакуумную камеру А вот так выглядит «маленькая» вакуумная камера с моделями работников внутри. Она 11,4 метра в высоту, а вместе с бланкетами и дивертором будет весить 8,5 тыс. Внутри них циркулирует вода. Вырывающиеся из плазмы свободные нейтроны попадают в эти бланкеты и тормозятся водой. Из-за чего она нагревается. Сами бланкеты защищают всю остальную махину от теплового, рентгеновского и уже упомянутого нейтронного излучения плазмы.
Такая система необходима для того, чтобы продлить срок работы реактора. Каждый бланкет весит порядка 4,5 тонны, их будет менять роботизированная рука примерно раз в 5—10 лет, так как этот первый ряд обороны будет подвержен испарению и нейтронному излучению. Но это далеко не все. К камере присоединяется внутрикамерное оборудование, термопары, акселерометры, уже упомянутые 440 блоков бланкетной системы, системы охлаждения, экранирующий блок, дивертор, магнитная система из 48 элементов, высокочастотные нагреватели плазмы, инжектор нейтральных атомов и т. И все это находится внутри огромного криостата высотой 30 метров, имеющего такой же диаметр и объем 16 тыс. Криостат гарантирует глубокий вакуум и ультрахолодную температуру для камеры токамака и сверхпроводящих магнитов, которые охлаждаются жидким гелием до температуры —269 градусов по Цельсию.
Одна третья часть основания криостата. Всего этот «термос» будет состоять из 54 элементов А так выглядит криостат на рендере.
Прорыв, достигнутый после более чем 120 000 попыток, значительно улучшил предыдущий мировой рекорд токамака в 101 секунду, установленный в 2017 году. Такие же процессы происходят на Солнце, а сырьем для термоядерной энергии может быть обычная морская вода. Сун Юньтао, директор ASIPP, сказал, что главное значение этого прорыва заключается в режиме высокого уровня удержания. По его словам, температура и плотность частиц значительно увеличились во время работы с плазмой с высоким уровнем удержания, что заложит прочную основу для повышения эффективности выработки электроэнергии будущих термоядерных электростанций и снижения затрат.
В России исследования в этой области заметно активизировались со стартом комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий, в которой большой раздел посвящен термоядерным и плазменным технологиям. На площадку во Франции поступила большая часть оборудования. Все внимание сфокусировано на сборке токамака. В шахту установлен первый из девяти секторов вакуумной камеры.
Второй и третий сектора монтируются. Его собирают из шести цилиндрических модулей, укладывая один на другой. Соленоид стабилизирует шнур из плазмы во время работы установки.
Ливерморская национальная лаборатория обошла ITER
- Выбор сделан - токамак плюс
- ядерная физика, все новости – «ВЗГЛЯД.РУ»
- Инновации и наука
- Какие проблемы возникли на ИТЭР и почему задерживается энергопуск российского токамака
- #термоядерный синтез
- Начало эпохи Водолея в 2021 году
#термоядерный синтез
Ученый физического факультета Томского госуниверситета Михаил Егоров выясняет, для каких реакций и при каких энергиях и температурах выделяющаяся полезная энергия может превышать энергетические потери, связанные с движением заряженных частиц. С использованием точных методов квантовой механики он вычислит сечения наиболее интересных с прикладной точки зрения термоядерных реакций синтеза.
Смею вас заверить, дискуссии будут глубокими, фундаментальными и наше мнение будет учтено». Физпуск состоялся еще 18 мая 2021 года. А вот с энергопуском возникли организационные проблемы. Все это время мощности не использовались. Нам потребовалось почти два года, чтобы решить эту проблему. Мы согласовали с энергокомпанией все условия, и сейчас уже ничто не мешает выйти на работу в сети». Следующим российским термоядерным реактором должен стать токамак с реакторными технологиями, который планируют построить на территории Троицкого института инновационных и термоядерных исследований.
Самой дорогостоящей частью "термоядерного" федерального проекта, как и всей программы РТТН, принято считать модернизацию существующей инфраструктуры и создание новых экспериментальных установок. Что тут в приоритетах? Где и на каких площадках уже ведутся такие работы? Виктор Ильгисонис: В действующей версии программы главный приоритет - это вывод на рабочие режимы токамака Т-15МД в Национальном исследовательском центре "Курчатовский институт", который должен быть оснащен различными системами дополнительного нагрева плазмы, диагностики, сбора и обработки данных, генерации тока и другими современными элементами. Осуществляются поддержка и развитие экспериментальной базы термоядерных исследований на площадках Физико-технического института имени Иоффе в Санкт-Петербурге, Института ядерной физики имени Будкера в Новосибирске, Национального исследовательского ядерного университета МИФИ в Москве. Серьезные "задельные" работы по развитию инфраструктуры, ориентированные на следующий до 2030 года этап реализации федерального проекта, ведутся в научном центре ТРИНИТИ в Троицке. Год назад вы говорили о 110 контрольных точках по этому проекту, на 2023-й их в полтора раза больше. Как продвигаетесь по маршруту и что требует особого внимания? Виктор Ильгисонис: Движемся по плану, скрупулезно выполняя намеченное. Трудности, конечно, есть.
Серьезный момент - заметное удорожание любого строительства в связи с известными причинами. Это может привести к смещению графика завершения строек на следующий этап проекта и к "заморозке" сооружения новых запланированных объектов. Чтобы этого избежать и обеспечить полноценное продление РТТН на период до 2030 года, как это определено Указом Президента Российской Федерации, абсолютно необходима поддержка правительства, всех вовлеченных в процесс федеральных органов исполнительной власти. Без этого, если финансирование федерального проекта и РТТН в целом будет вестись по остаточному принципу и подвергаться периодическому "обрезанию", наши амбициозные цели останутся таковыми лишь на бумаге. Токамак - это тот редкий случай, когда название научной установки, созданной в нашей стране, разошлось по миру и стало международным брендом. А что означает словосочетание "токамак с реакторными технологиями"? И какие перспективы у такого, извините за сравнение, мутанта? Или это "токамак плюс"? Виктор Ильгисонис: Это рабочее название установки следующего поколения, сооружение которой должно было стать основной задачей программы РТТН на этапе 2025-2030 годов. Токамак с реакторными технологиями, сокращенно - ТРТ, призван совместить уже имеющиеся достижения в удержании высокотемпературной плазмы с практической отработкой технологий, необходимых для создания энергетического термоядерного реактора.
Какие именно технологии и системы для этого нужны? Виктор Ильгисонис: Это инновационные разработки магнитных систем, конструктивных элементов бланкета, дивертора, первой стенки.
Физики потратили более десяти лет на создание технологии воспламенения термоядерной реакции, и в августе 2021 года они смогли успешно провести эксперимент. Чтобы добиться эффекта «зажигания», команда поместила капсулу с тритиевым и дейтериевым топливом в центр облицованной золотом камеры с обедненным ураном и направила на нее 192 высокоэнергетических рентгеновских луча. В этих условиях атомы водорода подверглись слиянию, выделяя 1,3 мегаджоулей энергии за 100 триллионных долей секунды, что составляет 10 квадриллионов ватт мощности. Интенсивная среда, создаваемая направленными внутрь ударными волнами, создала самоподдерживающуюся реакцию ядерного синтеза.
Ракетчики начали строить термоядерный двигатель
Поэтому в 1980-х гг. советские физики-ядерщики выступили с инициативой строительства международного экспериментального термоядерного реактора – с проектом ИТЭР. Ученые Института ядерной физики а СО РАН (ИЯФ, Новосибирск) добились ускорения плазмы в термоядерной установке "СМОЛА", где вещество удерживается. Глеб Курскиев рассказал ПРОСТО о том, что такое термоядерный синтез и почему он так важен!
Термоядерный синтез
С середины прошлого века физики всего мира ищут возможность воспроизвести реакцию термоядерного синтеза, происходящую в центре звезд. Если учёным действительно удалось провести реакцию ядерного синтеза с указанными выше условиями, это сулит революцию в энергетике. Физикам удалось добиться, чтобы термоядерный синтез выработал на 50% больше энергии, чем потребил. Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times. все новости, связанные с понятием "Термоядерный синтез ". Регулярное обновление новостного материала.
«Я даже обрадуюсь»
- Английского физика, передавшего СССР секреты водородной бомбы, предали советские академики-ядерщики
- Последние комментарии
- Что такое термоядерный синтез и зачем он нужен?
- Эра термоядерного синтеза
Американцы произвели термоядерный прорыв к 100-летию советского академика Басова
В саровском ядерном центре готовится к запуску лазерная установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу УФЛ-2М. Физики из Университета Осаки продемонстрировали реакцию холодного ядерного синтеза, сообщает ресурс New Energy Times. Для той же установки NIF моделирование показывает, что термоядерная реакция вроде бы должна при нынешних параметрах запускаться без проблем, но физикам до сих пор не. Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы. «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности.
Ядерный синтез: недавний эксперимент преодолевает два основных препятствия для работы
Это позволит решить одну из серьёзных проблем термоядерного синтеза — защитить стенку термоядерного реактора от воздействия раскалённой до миллионов градусов плазмы, не допустив при этом попадания в неё ненужных примесей. По словам учёных, методика позволяет создавать покрытие из тугоплавкого вольфрама, лишённое пор. Оно наносится на медную подложку, которая позволяет отводить тепло от стенки реактора с участием лёгкого металла лития. Термоядерная установка «Глобус-М», сооружённая в Физико-техническом институте им. Изобретение уже получило патент. Разработка позволит решить одну из основных задач в области термоядерного синтеза — уберечь стенку термоядерного реактора от воздействия раскалённой до миллионов градусов плазмы, заключённой внутри него.
Рыночные перспективы появления почти неограниченной и почти бесплатной энергии оценивает экономист Сергей Хестанов: Сергей Хестанов советник по макроэкономике генерального директора компании «Открытие инвестиции» «Естественно, если удастся создать работоспособный реактор, работающий за счет ядерного синтеза, это буквально обвалит спрос на энергетические товары, то есть на энергетический уголь. В меньшей степени это затронет рынок нефти. Газ и нефть в значительной мере потребляются не для сжигания, а для разного рода синтетических процессов. Соответственно, эта часть спроса сохранится.
А вот энергетический уголь пострадает довольно сильно. Но пока стадия, в которой находятся исследования, не позволяет сделать надежных выводов. Если действительно реактор, работающий на ядерном синтезе, удастся технически реализовать, это будет огромный прорыв. Это сильно изменит мировую экономику. Причем очень сильно.
И, конечно, я сразу же хочу поздравить весь ваш дружный коллектив, который много лет работал над тем, чтобы продвинуться еще дальше. Появляется уникальная инфраструктура для научных исследований, для того, чтобы, как говорят ученые, управляемый термоядерный синтез все-таки создал неиссякаемый источник энергии», — сказал премьер Михаил Мишустин. На этой установке российские ученые будут проводить исследования, без которых невозможен запуск международного проекта ИТЭР. Самый большой в мире экспериментальный термоядерный реактор сейчас строится на юге Франции. На связь оттуда вышел генеральный директор проекта.
На совещании глава правительства обсудил с российскими учеными федеральную программу развития синхротронных и нейтронных исследований. До 2027 года на нее предусмотрено выделить 138 миллиардов рублей. В рамках программы Курчатовский институт создает по стране целую сеть мегаустановок нового уровня. Россия была абсолютно самодостаточна. Мы производили все сами, все компоненты от начала до конца.
При соединении ядер двух элементов например, изотопов водорода дейтерия и трития возникает третий гелий , что сопровождается выделением энергии, которую несет на себе разогнанный нейтрон. Если взять плазму, то есть ионизированный газ из этих изотопов, ее разогреть до высокой температуры, повысить в ней давление и время удержания, то при превышении определенной константы произведения данных величин критерий Лоусона в плазме возникнет самоподдерживающаяся термоядерная реакция. Но как удержать плазму и довести ее параметры до необходимых термоядерных значений? Это возможно в магнитном поле. Одно из физических устройств для удержания плазмы в магнитном поле соответствующей конфигурации называется «токамак» — тороидальная камера с магнитными катушками.
О том, каким путем шли и идут научные исследования, связанные с токамаками, о возможности альтернативы атомным электростанциям, а также о том, как управлять плазмой с термоядерной реакцией с помощью математических моделей и систем автоматического управления, и насколько важную роль в этом может сыграть международное научное сотрудничество, мы поговорили с Юрием Владимировичем Митришкиным, доктором технических наук. Объясните пожалуйста, суть процесса! Термоядерная реакция — это слияние ядер легких элементов с выделением энергии. Самое близкое по порогу получение термоядерной реакции — это смесь дейтерия с тритием. Это газ, поступающий через клапаны в тороидальную вакуумную камеру. В камере образуется меняющееся магнитное поле за счет изменения токов в окружающих камеру катушках, оно создает вихревое электрическое поле, которое пробивает газ, образуется плазма и ток в ней, при этом плазма начинает греться за счет прохождения в ней тока. Токамак — это и есть та самая тороидальная камера с магнитными катушками, в которой все происходит. Много таких технологий. Проблема термоядерного синтеза разрабатывается давно, шесть десятков лет, и флагманом в этой области сейчас служит сооружаемый во Франции ITER International Thermonuclear Experimental Reactor — Международный термоядерный экспериментальный токамак-реактор. Для него развиваются технологии.
Этих технологий много, и много связанных с ними сложностей: например, проблемы материалов первой стенки, роботов, которые могут заменять бланкет через определенное время, проблемы магнитного и кинетического автоматического управления плазмой, их интегрирования и много разных других. Но надо понимать, что термоядерный реактор ITER — это не термоядерная электростанция. Вся термоядерная энергия, которая получается внутри него, будет рассеиваться в окружающем пространстве. Однако термоядерная реакция в ITER будет происходить в любом случае, и будет происходить усиление мощности — то есть, на один вложенный ватт за счет термоядерной реакции будет получено 10 ватт. Зачем нужен термояд? Прежде всего для мировой промышленности. Дело в том, что уже в ближайшее время, где-то к 2050-му г. Потому что чем выше уровень цивилизации, тем больше энергии она требует. И, несмотря на то, что пока еще сохраняются ресурсы нефти, угля, газа, дефицит энергии никак не покроешь за их счет. Единственный выход — это термоядерная энергетика.
Вот над этим и работают исследователи, особенно в Европе, и лидеры там — немцы. Это уникальная нация, и они это сделают — создадут термоядерную энергетику. А мы, если всерьез не возьмемся за разработки в этой области, окажемся на задворках истории в решении столь серьезной проблемы. Известны две дорожные карты. Одна — с очень дорогими термоядерными электростанциями, огромными по размеру, до 9 метров большого радиуса тора токамака-реактора. Вторая — с дешевыми, всего 6 американских центов за 1 квт-час электроэнергии, и 1,6-2,0 метров большого радиуса, и это можно сделать на сферических токамаках, на одном из которых мы и работаем, разрабатывая для него системы управления плазмой. Но можно говорить об их разнообразии? Да, существуют различные сферические токамаки. Они сферические в том плане, что у них аспектное отношение, то есть отношение большого радиуса токамака к малому, составляет, примерно, 1,5, а все другие, конвенциальные, имеют аспектное отношение, приблизительно, 3-4 и выше, и это, в отличие от сферических, не может дать дешевую электроэнергию. Можно строить небольшие установки модульного типа, а потом их наращивать, допустим, вместо одного модуля сделать 10.
Модуль — это небольшая часть всей термоядерной установки, это одна независимая небольшая термоядерная электростанция. Это приведет к снижению цены за электроэнергию по современным представлениям.
Мировой рекорд
- Ученые в США провели третий успешный эксперимент с ядерным синтезом
- Ученые в США провели третий успешный эксперимент с ядерным синтезом
- О настоящем и будущем термоядерной энергетики
- Выбор сделан - токамак плюс
- Выбор сделан - токамак плюс
- Искусственное солнце: как первый в мире термоядерный реактор изменит мир // Новости НТВ