Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Энергия термоядерного синтеза, исследование термоядерного синтеза, ИТЭР| МАГАТЭ

Международная деятельность в области термоядерного синтеза и роль МАГАТЭ

Во всем мире достигнут впечатляющий прогресс в исследованиях в области термоядерного синтеза и физики плазмы. В последние годы были решены многие научные вопросы. Исследования в области управляемого термоядерного синтеза и физики плазмы в настоящее время осуществляются в более чем 50 государствах-членах МАГАТЭ. Задача доказать, что управляемый термоядерный синтез как источник энергии научно осуществим, является непростой. Поскольку для этого потребуются большие, сложные и дорогостоящие устройства, позволяющие решить связанные с реакторами физические и технологические проблемы, при проведении исследований и разработок в области управляемого термоядерного синтеза необходимо международное сотрудничество.

МАГАТЭ содействует развитию международного сотрудничества и координации с целью оказания помощи в устранении существующих пробелов в области физики, технологий и регулирования и в дальнейшем продвижения в развитии использования термоядерной энергии в мирных целях.

Деятельность Агентства в этой области охватывает, наряду с прочим, физику плазмы и энергетику, технологии и материалы термоядерного синтеза как с магнитным, так и с инерционным удержанием плазмы.

Наиболее современным и масштабным в мире экспериментом в области управляемого термоядерного синтеза является проект международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), в реализации которого участвуют семь международных участников (Индия, Китай, Южная Корея, Япония, Европейский союз, Российская Федерация и Соединенные Штаты Америки). ИТЭР, основанный на концепции токамака (устройства с удержанием плазмы с помощью магнитного поля), в настоящее время сооружается в Кадараше, Франция. Проект реактора предусматривает достижение уровня коэффициента выигрыша в мощности термоядерного реактора, по крайней мере равного 10, и номинальную мощность термоядерного реактора 500 мегаватт (МВт). На этом реакторе будут также испытаны важнейшие технологии, необходимые для термоядерного реактора.

Еще одной инициативой в области термоядерного синтеза является Международная установка по облучению материалов для термоядерного синтеза (ИФМИФ), которая представляет собой совместный проект Европейского союза и Японии, будет сооружена в Японии и, согласно планам, будет работать параллельно с ИТЭР. На ИФМИФ будут тестироваться и отбираться материалы, способные выдерживать экстремальные условия, возникающие при генерации нейтронов высоких энергий в будущих термоядерных реакторах.

Как ожидается, демонстрационная энергетическая установка (DEMO), в настоящее время находящаяся на этапе разработки, будет подключена к энергосети и станет вырабатывать электроэнергию с использованием управляемого термоядерного синтеза. DEMO станет прототипом промышленной электростанции, созданной на основе ИТЭР. Предполагается, что ее строительство будет проводиться в период эксплуатации ИТЭР и ИФМИФ. Для достижения целей установки DEMO ее линейные размеры должны превышать размеры установки ИТЭР примерно на 15 процентов, а плотность плазмы должна быть выше приблизительно на 30 процентов.

МАГАТЭ обеспечивает площадки для различных форумов по тематике управляемого термоядерного синтеза, включая двухгодичную конференцию по энергии термоядерного синтеза, серию семинаров-практикумов по проекту DEMO и многочисленные технические совещания. Оно также выпускает публикации по термоядерному синтезу, такие как журнал “Термоядерный синтез” и книга “Физика термоядерного синтеза”; создает сети учреждений и ученых для рассмотрения ключевых вопросов, представляющих общий интерес; ведет базы данных для сообщества специалистов в области термоядерного синтеза; и поддерживает учебно-образовательную работу в области термоядерного синтеза.

Термоядерная энергия | Uatom.org

Создать вечный источник энергии на земле. Звучит утопично? А вот и нет. Термоядерный синтез позволит получить так называемую свободную энергию буквально из воды, при этом отходами производства будут абсолютно безопасные водород и гелий. И этот процесс не является изобретением человека. Вселенная активно и повсеместно использует термоядерные реакторы. Ближайший к нам — Солнце.

Основная проблема в том, что ученым до сих пор не удавалось создать такой реактор термоядерного синтеза, чтобы количество энергии, выделяемое в результате реакции, было больше того количества, которое требуется, собственно, для осуществления самой реакции.

Из учебников физики: что же такое термоядерный синтез?

Прежде чем перейти к основной части нашего материала и разобраться, почему вокруг термоядерного синтеза столько разговоров, давайте вспомним уроки физики за одиннадцатый класс, но если вспоминать ничего (и такое бывает), то читаем дальше.

Мы уже знаем, как с помощью контролируемой ядерной реакции человечество получает энергию. Ядерные реакторы, которые сейчас эксплуатируются, используют процесс расщепления атомов, во время которого ядра атомов делятся на 2-3 ядра с меньшими массами. Термоядерный синтез же наоборот предполагает не разделение, а объединение атомов. Проще говоря, это получение тяжелых атомных ядер из более легких.

Как это происходит? Атомные ядра состоят из двух типов нуклонов — протонов и нейтронов. Их удерживает вместе так называемое сильное взаимодействие. При этом энергия связи каждого нуклона с другими зависит от общего числа нуклонов в ядре. В легких ядрах с увеличением числа нуклонов энергия связи возрастает, а в тяжелых — падает.

Если добавлять нуклоны в легкие ядра или удалять нуклоны из тяжелых атомов, эта разница в энергии связи будет выделяться в виде разницы между затратами на осуществление реакции и кинетической энергией высвобождающихся частиц. Изменение состава ядра называется ядерным превращениям или ядерной реакцией. Ядерная реакция с увеличением количества нуклонов в ядре называется термоядерной реакцией или ядерным синтезом. В основе процесса управляемого термоядерного синтеза лежит синтез атомных ядер из более легких в более тяжелые с выделением энергии.

Схема термоядерного синтеза для дейтерия и трития

Протоны в ядре имеют электрический заряд, а значит, испытывают кулоновское отталкивание. В ядре это отталкивание компенсируется сильным взаимодействием, что удерживает нуклоны вместе. Но сильное взаимодействие имеет радиус действия намного меньше кулоновского отталкивания. Поэтому для слияния двух ядер в одно нужно сначала их сблизить, преодолевая кулоновское отталкивание.

Известно несколько таких способов: в недрах звезд — гравитационные силы, в ускорителях — кинетическая энергия разогнанных ядер или элементарных частиц, в термоядерных реакторах и термоядерном оружии — энергия теплового движения ядер атомов.

Немного истории

Как мы упомянули в начале, термоядерный синтез — это не изобретение человека. В 1934 году, наблюдая за звездным небом, американский физик советского происхождения Георгий Гамов выдвинул гипотезу, что звезды горят благодаря ядерным реакциям, которые в них происходят. Его предположение четыре года развил американец Ханс Бете. В центре Солнца, считал Бете, ядра водорода сталкиваются, превращаясь в изотопы, а затем и в другие элементы. Разница их массовых чисел и зажигает светило.

В 40-х годах XX века один из участников «Манхэттенского проекта» (речь идет о разработке ядерного оружия) предложил коллегам подумать о бомбе не распада, а синтеза, то есть о водородной. Математик Станислав Улам описал возможный алгоритм термоядерного синтеза и начались практические опыты. В 1951 году, через шесть лет после применения ядерного оружия США провели предварительное, а через год — полномасштабное испытание термоядерного заряда. Топливом для него служили жидкие изотопы водорода, которые затем, ради увеличения мощности, заменили смесь дейтерида лития 40% дейтерида лития-6 и 60% дейтерида лития-7.

Идею о применении термоядерного синтеза в промышленных целях выдвинул советский физик Олег Лаврентьев. Вскоре, одновременно с американцами, Игорь Тамм и Андрей Сахаров доработали концепцию Лаврентьева, предложив закольцевать движение плазмы в медном «бублике» и изолировать ее магнитными ловушками. Так появилась идея токамака, который был построен в 1954 году.

Кстати, первый в мире образец термоядерного реактора — стелларатор, был построен ранее советского, астрофизиком Лайман Спитцер в 1951 году в рамках секретного проекта «Маттерхорн». Однако, именно технология токамака сейчас считается наиболее развитой, ведь по ней накоплено больше знаний. Поэтому именно она была избрана в основу проекта International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), но об этом чуть позже.

Формально стеллараторы считаются более прогрессивными, чем токамаки. Для этого есть несколько причин. Во-первых, в стеллараторах плазму нагревают и содержат только внешние токи и катушки. В токамаках разжигание происходит за счет электрического тока, протекающего в плазме и одновременно создающего дополнительное магнитное поле.

Поэтому в «бублике» токамака появляются свободные электроны и ионы уже со своими магнитными полями, которые так и стремятся разрушить основное поле, сбить температуру и вообще все испортить. Во-вторых, камеры стеллараторов не просто «бублики», а «мятые бублики»: в отличие от токамаков, у них нет азимутальной симметрии.

При этом катушки на «мятых бубликах» стеллараторов имеют винтообразную форму (на токамаках они прямые и параллельны друг другу) и «закручивают» силовые линии, то есть подвергают их вращательному преобразованию. Это тоже стабилизирует плазму и еще — отдаляет теоретический предел оптимального давления в камере. А чем выше давление, тем быстрее произойдет реакция.

Сравнение конструкции токамака (слева) та стеларратора (справа)

Солнце, но на Земле

На юге Франции, недалеко от городка Экс-ан-Прованс, 35 стран мира завершают историческое строительство под названием ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor — Международный термоядерный экспериментальный реактор. Кнопку, которая запустит в действие махину весом 23 тысяч тонн, обещают нажать через 5 лет.

Строительство же первого в мире термоядерного реактора продолжается более 30 лет. «Наша машина — как Солнце, но на Земле», — так описывают свое детище его создатели.

В ходе сооружения. Фото: ITER

ITER является первой в своем роде машиной и уникальным научным устройством. Это итоговый эксперимент, чтобы доказать, что технологии, материалы и знания человечества достаточны, чтобы сделать следующий шаг и построить термоядерную электростанцию.

Проект стартовал в ноябре 1985 года, когда на Женевском саммите генеральный секретарь СССР Михаил Горбачев предложил президенту США Рональду Рейгану идею совместного международного проекта по разработке термоядерной энергии в мирных целях. Год продолжались переговоры и было достигнуто соглашение. К проекту присоединились также Европейский союз (Евратом) и Япония.

Работы по концептуальному проектированию начались в 1988 году, после чего был долгий этап технического проектирования, пока в 2001 году страны-члены утвердили окончательный проект ITER. В 2003 году в проекту присоединились Китай и Республика Корея, затем — Индия.

Выбор места для строительства ITER был также длительной процедурой, которая завершилась в 2005 году. Как мы уже упоминали, в основе ITER — токамак, выбранна эта технология была исключительно из-за количества собранных о нем знаний. Существует множество технологий термоядерного синтеза, таких как стеллараторы (Wendelstein-7X), лазерный синтез (Laser Megajoule и National Ignition Facility), протон-борный синтез (Tri-Alpha energy) и др. Но научное сообщество считает, что концепция токамака — лучшая для достижения чистой энергии термоядерного синтеза.

Токамак в разрезе

Едва ли не самым важнейшим преимуществом термоядерного реактора является его безопасность. И как объясняют в ITER, в термоядерном реакторе неконтролируемая цепная реакция, которая приводит к расплавлению активной зоны, просто невозможна. Ведь очень трудно добиться реакции синтеза и сохранить ее. Но что бы ни случилось, в случае потери контроля над нагревом, охлаждением или подачей топлива, тепло внутри вакуумной камеры естественным образом угаснет.

Это почти так же, как газовая горелка гаснет, когда закручивают кран. Процесс ядерного синтеза безопасный по своей сути. Нет опасности утечки или взрыва. Предварительный отчет по безопасности ITER содержит анализ рисков и событий, которые могут привести к авариям на объекте. Во время нормальной работы радиологическое  влияние ITER на уязвимые группы населения будет в тысячу раз меньше, чем естественное фоновое излучение. А при «худших сценариях», таких, как пожар на тритиевом заводе, эвакуация или другие защитные меры для населения на территорях,  граничащих с производством, не понадобятся.

А сейчас несколько развеем миф о бесплатной энергии. Термоядерная энергия никогда такой не будет. Свободной ее называют потому что она чистая и безопаснадля будущих поколений.

ITER будет производить 500 мегаватт тепловой энергии. Такого количества достаточно, чтобы изучать горение плазмы, состояние, которого ранее на Земле никогда не удавалось добиться в контролируемой среде. Ожидается, что коммерческий термоядерный реактор будет в 10-15 раз мощнее. Например, термоядерная электростанция мощностью 2000 мегаватт сможет обеспечивать электроэнергией 2 миллиона домов.

Ученые прогнозируют, что промышленные термоядерные установки могут начать работу уже в 2040 году. Точные сроки будут зависеть от уровня общественного запроса и политической воли, которая проявляется в финансовых инвестициях, ведь удовольствие это не из дешевых. Начальная капитальная стоимость 2000 мегаваттной термоядерной станции — около 10 млрд долларов. Эти капитальные затраты компенсируются крайне низкими затратами на обслуживание, незначительными затратами на топливо и нечастыми расходами на замену компонентов в течение 60-летнего срока службы установки.

Отметим, что ITER является экспериментальной установкой, она не будет производить электричество. Всю энергию, которую произведет, будет преобразовано в пар и выпущено через градирни.

А Украина?

Исследование термоядерного синтеза в Украине осуществляются в КНУ им. Т. Шевченко, Институте физики (г. Киев) и ННЦ ХФТИ (г. Харьков), а также в некоторых негосударственных лабораториях. Хотя Украина не является членом международного проекта ITER, наши физики также принимают в нем участие путем сотрудничества с европейскими коллегами. Такое сотрудничество стало возможным благодаря тому, что с 2017 года Украина является полноправным членом Европейского физического сообщества по термоядерных исследованиях.

В одном из своих интервью украинский физик, президент НАН Украины Анатолий Загородный сказал о ITER следующее: «Среди широкого круга задач на передний план с увеличением мощности реактора выходит проблема повышения прочности внутренней стенки реактора, контактирующей с густой и горячей плазмой, и украинские физики ведут активные исследования в этом направлении.

Другими задачами, над которыми работают наши ученые, является совершенствование диагностик и разработка теоретических моделей плазменных процессов. Построение промышленного термоядерного реактора оказалась гораздо сложнее, чем это казалось сначала. Однако преодолена большая часть пути, и этот проект приблизит нас к новому мощному и экологичному источнику энергии».

При подготовке материала были использованы официальные материалы ITER.

ИТЭР: когда откроется окно в мир термоядерной энергетики

Структуры Росатома досрочно выполняют свои обязательства в международном проекте строительства экспериментального термоядерного реактора ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). Российские разработчики уже поставили партнерам верхние патрубки для вакуумной камеры реактора, завершив один из главных этапов, влияющих на скорость сооружения всей установки. Темпы работ позволяют рассчитывать, что в 2026 году на площадке ИТЭР во Франции будет достигнут ключевой промежуточный результат – получение первой плазмы. Шаг за шагом становится ближе конечная цель проекта – использование управляемого термоядерного синтеза для промышленной выработки чистой энергии, что сыграет колоссальную роль в экономическом развитии всей планеты и решении климатических проблем.

Проект ИТЭР исключителен по своей важности: термоядерная энергетика может дать ответ на вопрос, как обеспечить доступ к электроэнергии в глобальном масштабе без использования ископаемого сырья. Она экологически безопасна и обеспечена запасами воды, своего главного топлива. «ИТЭР открывает окно в мир новой энергии, применяя все доступные нам знания физики», – отметил генеральный директор ИТЭР Бернар Биго.

Международный экспериментальный реактор основан на технологии токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), разработанной советскими учеными еще в 1950-х годах. Сердце токамака – вакуумная камера-«бублик», в которой для запуска реакции происходит нагрев удерживаемой магнитами плазмы до температуры в миллионы градусов (на ИТЭР – до 150-300 млн). Небольших токамаков в мире десятки, но только ИТЭР благодаря своим огромным масштабам сможет показать, как использовать управляемый термоядерный синтез в энергетических целях. Задача проекта – получить в 10 раз больше энергии, чем затрачивается для обеспечения работы установки, рассказал Бернар Биго.

В силу исключительной дороговизны и сложности ИТЭР строят всем технологически развитым миром. В кооперации, помимо России, участвуют страны Евросоюза, США, Китай, Индия, Южная Корея, Япония. Отечественный вклад составляет 9% от общей стоимости проекта. За Россией «закреплены» 25 систем ИТЭР. «Работы выполняются с опережением графика, несмотря на коронавирус, – рассказал Анатолий Красильников, директор «Проектного центра ИТЭР», входящего в Госкорпорацию «Росатом». – Многие работы проходят в международной кооперации, необходимы транспортные операции между странами – пандемия на это влияет. То, что нам удается выдерживать сроки – существенное достижение. Проект демонстрирует сплоченность между партнерами, все друг другу помогают».

Россия уже досрочно завершила поставку партнерам верхних патрубков для вакуумной камеры реактора. Разработаны эти конструкции в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, входящем в Госкорпорацию Росатом. Как объяснил инженер-координатор ИТЭР Юрий Утин, верхние патрубки предоставляют доступ внутрь вакуумной камеры, обеспечивают размещение трубопроводов охлаждения, необходимых для работы внутрикамерных компонентов, и порт-плагов для дополнительного нагрева плазмы, диагностики и решения других задач. Поскольку они используются в качестве опорных узлов в процессе сборки секторов вакуумной камеры, без их поставки успешное сооружение самой камеры, а значит и всего реактора, было невозможно.

В следующем году на площадку ИТЭР будет доставлен еще один крайне важный элемент будущей установки – российская катушка полоидального поля, одна из шести, необходимых для функционирования магнитной системы реактора. Работы по ее изготовлению находятся в завершающей стадии, сообщил Анатолий Красильников. В целом, по словам Бернара Биго, на сегодняшний день проект ИТЭР готов на 75%. Первая плазма на международном реакторе будет получена ориентировочно в 2026 году – с небольшим, на несколько месяцев, отставанием от плана, что уже достижение, учитывая пандемию COVID-19. В 2035 году ИТЭР должен на практике продемонстрировать возможности термоядерной энергетики, что позволит на следующем этапе – в 2050-2060 годах – приступить к строительству термоядерных электростанций. Россия как один из ключевых участников проекта будет иметь полный доступ ко всем технологиям и результатам эксперимента.

Термоядерный синтез: энергия будущего? | Будущее, Наука

Управляемый термоядерный синтез — чудо, которое давно ждут и которое всё никак не станет реальностью. Ничего эффективнее построенной на термоядерном синтезе энергетики быть не может. После изобретения термоядерных электростанций энергии станет столько, что хватит всем, притом почти даром. Но титанические усилия учёных до сих пор не увенчались успехом, хотя бьются над этой проблемой уже больше полувека. Так достижимо ли термоядерное совершенство?

Термоядерный синтез гелия из водорода — самая распространённая реакция во Вселенной. И самая эффективная в плане выхода энергии по отношению к массе использованного горючего. А ещё, вероятно, самая экономичная, поскольку во Вселенной вообще мало что есть, кроме водорода.

Если мы получаем энергию не путём термоядерного синтеза, то мы получаем её неоптимальным способом. Любой другой источник заведомо менее производителен, потребляет топливо, запасы которого (по сравнению с запасами водорода) ограничены, а зачастую оно ещё и отравляет окружающую среду отходами. У термоядерного реактора в этом отношении всё идеально, гелий-то не отход, а безвредный газ для воздушных шариков.

И всё же идея термоядерной энергетики не особо популярна у фантастов. Откуда берётся электроэнергия в процветающих мирах будущего, обычно не говорят вообще или упоминают какой-нибудь люксоген с дробной пространственной размерностью. Писатели интуитивно чуяли связанный с термоядерным синтезом подвох. Учёные же, напротив, долгое время принципиальных затруднений не предвидели.

Первыми спровоцировать термоядерные реакции пытались ещё учёные нацистской Германии. Немцы наивно надеялись вызвать детонацию тяжёлого водорода химической взрывчаткой и помещали дейтерий внутрь кумулятивной воронки (на фото — немецкий ядерный объект в 1945 году)

В 1950-x проблема казалась сложной, но разрешимой. Правда, в ту технооптимистичную эпоху «сложной, но разрешимой» считалась вообще любая задача, которую удалось чётко сформулировать. В 1960-е футурологи, опираясь на аналогию с ядерной и водородной бомбами, уверенно предсказывали, что эпоха термоядерной энергетики наступит через десять-пятнадцать лет после строительства первой АЭС. Физики не возражали.

Ни в 1970-е, ни в 1980-е водородные электростанции не появились. Но учёные не сомневались: промышленный синтез возможен даже с доступными технологиями, если их правильно применить.

К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Прогноз ухудшили до двадцати пяти лет. А в начале XXI столетия — до пятидесяти. Теоретические знания углубились настолько, что стало непонятно, с какой стороны подступиться к задаче.

На планете Плюк из фильма «Кин-дза-дза» кончилась вода, поскольку из неё делали луц — горючее для звездолётов. Логично предположить, что луц — это водород

Проблема в том, что реакции синтеза отличаются высоким порогом. Тяжёлое ядро урана норовит распасться само по себе, но протоны — ядра водорода — отталкиваются друг от друга кулоновской силой. Если сломить сопротивление одноимённых зарядов, то при слиянии частиц выделится несравненно больше энергии, чем затрачено. Но без первоначальных «вложений» не обойтись.

Казалось бы, мелочь. Ну порог, ну и что? С точки зрения физики высоких энергий это не порог, а курам на смех! Мощный ускоритель частиц не просто столкнёт протоны лбами, он расплющит их друг о друга в кварк-глюонную плазму! Но кварки нам не нужны. Так что берём синхротрон попроще и направляем пучок протонов на мишень из содержащего водород материала. Порог реакции будет преодолеваться, и в мишени начнётся синтез.

Термоядерный реактор ZETA, 1957 год

Электроядерные реакторы существуют несколько десятилетий и, кроме экспериментальных целей, применяются для производства ценных изотопов. Но вырабатывать энергию таким способом, увы, нельзя. Ядро атома водорода по сравнению с самим атомом очень мало, и попасть «ускоренным» протоном в яблочко мишени трудно. «Снаряд» просто увязнет в бесконечных электронных оболочках, растратив энергию на нагрев мишени, и никакой термоядерной реакции не произойдёт. Можно избавиться от электронов, пустив навстречу друг другу пучки полностью ионизированных частиц, но принципиально ситуацию это не изменит. Столкновения будут слишком редкими, чтобы выход от термоядерных реакций оправдал затраты на разгон частиц.

Термоядерный синтез окажется экономически целесообразным, только если реакция станет цепной: чтобы необходимая для преодоления барьера температура в камере сгорания достигалась за счёт самого синтеза ядер.

Что же касается «холодного» синтеза, о его «открытии» время от времени объявляют ещё с 1990-х. Изобретатели, правда, никогда не уточняют, какая именно из термоядерных реакций у них произошла. Ведь реакцию синтеза опознают по продуктам, вылетающим из активной зоны. Если при «холодном синтезе» нет радиации — значит, нет и синтеза.

Вторая часть проблемы в том, что проводить протон-протонный синтез не только сложно, но и бессмысленно. При столкновении двух протонов рождается дейтрон — состоящее из протона и нейтрона ядро тяжёлого водорода, плюс позитрон и нейтрино. Львиную долю энергии уносит нейтрино, проходящее сквозь нашу планету, как свет сквозь стекло, и, как следствие, малопригодное для кипячения воды.

Вот и получается, что, хотя водорода во Вселенной много, экономике от него пользы никакой. В недрах Солнца протон-протонный синтез — лишь первый шаг водород-гелиевого цикла, ведь четыре ядра водорода сливаются в ядро гелия не разом, а в три приёма. Но для завершения цикла важно, чтобы промежуточные продукты синтеза — дейтерий и гелий-3 — не покидали зону реакции, а энергия, выделившаяся на предыдущем этапе, упрощала преодоление барьера реакции на следующем. Звёзды способны это обеспечить. Водород в их ядрах находится в сверхтвёрдой и сверхплотной («металлической») форме. Ядрам дейтерия и гелия-3 просто некуда деться!

Солнечные, приливные, ветровые и даже гидроэлектростанции используют энергию Солнца. То есть термоядерную. Так что именовать эти источники «возобновляемыми» неправильно. Никто новый водород на Солнце не подвозит!

Итак, имитация природных процессов — не наш путь. Разогретый до миллионов градусов металлический водород нельзя получить в лабораторных условиях. А если б и было можно, то миллиард лет выколачивать из него энергию по искре — идея сомнительная. Термоядерный реактор должен воспроизводить не будничное тление светил, а условия взрыва сверхновой, когда реакции идут при температуре, обеспечивающей преодоление кулоновского барьера при каждом столкновении.

Именно благодаря тому, что сердцевины звёзд состоят из твёрдого водорода, термоядерные реакции могут идти в них при температуре каких-то шесть миллионов градусов. Для преодоления кулоновского барьера этого не хватит. Однако некоторые ядра оказываются достаточно «горячи» для вступления в реакцию. Это редкость даже при огромном сжатии, потому-то звёзды и живут миллиарды лет. Излучение обычно уносит чуть больше энергии, чем выделяется в термоядерных реакциях. Если же баланс положительный, температура начинает расти, интенсивность синтеза увеличивается по экспоненте, и звезда вспыхивает, как сверхновая…

Конечно, удерживать разогретое до температуры 100 миллионов кельвинов вещество можно только в плазменной форме. Причём речь тут о плазме в том смысле, какой вкладывают в этот термин физики. Физическая плазма — не ионизированный газ, а четвёртое агрегатное состояние вещества, наблюдающееся при разрежении столь высоком, что взаимодействием частиц можно пренебречь. Плазма не подчиняется обычным для газа законам. В ней нет давления, она не нагревается при сжатии и, что особенно приятно, не стремится занять весь доступный объём. Ценой минимальных затрат её можно удерживать в магнитной ловушке в форме кольца. Независимо от температуры, ядра послушно будут бегать по кругу вблизи центральной оси откачанной трубы.

Тороидальная магнитная ловушка

Ситуация как будто парадоксальная. Нет взаимодействия — не может быть и столкновений, реакций синтеза и разогрева вещества. Но грань между плазмой и газом тонка. Скажем, хотя каждый кубический километр космической туманности представляет собой плазму, облако в целом живёт по законам газа. Туманность настолько велика, что молекула не может покинуть её пределы без взаимодействий с другими. Так и в магнитной ловушке при любой плотности вещество будет газом, ведь пробег бесконечен, и одна частица непременно столкнётся с другой. Притом с ростом температуры (а значит, и скорости, и расстояния, преодолеваемого частицей за единицу времени) будет расти и давление. В плоскости же поперечной линии движения частицы будут существовать по законам плазмы.

Идею пылающего кольца, плотного в одном измерении и представляющего собой высокий вакуум в прочих, уже в 1950-х успешно воплотили в советских установках ТОКАМАК и американских стеллараторах, различающихся способами предварительного разогрева топлива. И в СССР, и в США в качестве термоядерного горючего использовали смесь дейтерия и трития, так как реакции с участием тяжёлого и сверхтяжёлого водорода возможны при меньшей, чем у других элементов, температуре.

Реакции-то начинались, но кольцо из-за перемены температуры и плотности теряло стабильность и рассеивалось. Всё же реакторы совершенствовались. Уже в конце 1970-х исследователи считали, что победа близка и «положительный выход» (при цепной реакции синтеза выделяется больше энергии, чем затрачено на её запуск) будет достигнут сразу, как только им выделят денег на новую, более дорогую, установку…

Новый ТОКАМАК (Казахстан)

Но нет, положительный выход достигнут не был. А в конце прошлого века даже у оптимистов возникло подозрение, что это и к лучшему. Проблема термоядерного синтеза заключалась в тритии. В случае синтеза с участием тяжёлого и сверхтяжёлого водорода 80% выделившейся энергии уносил рождающийся в реакции нейтрон.

Эти не имеющие заряда частицы сочетают высокую проникающую способность с исключительной зловредностью. С электронными оболочками атомов нейтроны не взаимодействуют, что позволяет им преодолевать десятки метров бетона и свинца. Попадая же в атомное ядро, нейтрон или разрушает его, или поглощается им, превращаясь в радиоактивный изотоп. А образующиеся в материале пузырьки газа приводят к потере прочности, деформации и разрушению стальных деталей. В лучшем случае после множества рикошетов нейтрон просто распадается и становится атомом водорода.

Персонал электростанции может укрыться от нейтронного излучения за бассейнами с водой (они в любом случае понадобятся для охлаждения), но защитить сам реактор от нейтронов не выйдет. А энергетическая установка, расходующая 80% выделяющейся энергии на саморазрушение, прослужит недолго.

Остальные 20% энергии обойдутся слишком дорого. Тритий не встречается в природе, его получают искусственно в ядерных реакторах по цене 30 миллионов долларов за килограмм. А с учётом нейтронных потерь килограмм трития может заменить лишь три тысячи тонн нефти. Даже если «чёрное золото» вдруг подорожает до 1600 долларов за баррель, дейтерий-тритиевая энергетика не станет оправданной экономически. Ведь для получения трития всё равно требуются ядерные реакторы, потребляющие уран, а значит, электричество дешевле будет вырабатывать на АЭС.

Тритий радиоактивен, но при распаде его ядра выделяются лишь нейтрино и электрон. Последний так слаб, что вредит только если тяжёлый водород включился в состав тканей организма. Брелок с тритиевой подсветкой — это безопасно. Даже если его проглотить

Поскольку тритий как термоядерное горючее не выдерживает критики, надежды связывают с изотопом гелий-3. Порог его реакции с дейтерием существенно выше, поскольку два протона гелиевого ядра отталкивают третий со вдвое большей силой. Но продуктами синтеза оказываются ядро обычного гелия (альфа-частица) и протон, что уже даёт выигрыш впятеро благодаря отсутствию нейтронных потерь.

Кроме того, гелий-3, в отличие от трития, стабилен и встречается в природе. Его много на Луне. Ещё в 1980-х годах подсчитали, что доставка гелия с Луны на Землю экономически оправдана. Для покрытия годичных потребностей человечества в энергии потребуется всего сотня тонн этого газа. Другой вопрос, что добыча такого количества гелия-3 предполагает переработку миллиардов тонн лунного грунта. Так что пока выгоднее производить гелий-3 искусственно. Из трития. И это ставит под вопрос осмысленность разработки даже экспериментальных установок для термоядерных реакций с участием гелия.

Именно гелий-3 добывает на Луне герой фильма «Луна-2112»

По разным причинам изотопы первых двух химических элементов в любых комбинациях для энергетики будущего бесполезны. Как и при создании водородной бомбы, исследователи убедились, что только на третий элемент периодической таблицы — литий — можно положиться. Он безопасен, не производит нейтроны при синтезе и, в отличие от реакторных изотопов водорода и гелия, ничего не стоит.

Но в случае с литием уже три протона будут объединёнными силами отталкивать четвёртый! И эта разница — решающая. В тороидальном (в форме бублика) плазменном реакторе изотопы водорода горят на практике. Гелий… должен в теории. Литий же не должен вообще! При температуре детонации его ядер плазма не может иметь необходимую для цепной реакции плотность.

Термоядерный ракетный двигатель

Самый мощный и качественно лучший среди всех, что мы можем вообразить. В современном ионном двигателе ядерная энергия преобразуется в электрическую, а электрическая — в кинетическую энергию ускоренного полем ионизированного газа. В сопле термоядерной ракеты энергия синтеза превращается в кинетическую сразу. Рабочим телом служит продукт реакции — гелий, ускоренный термоядерным жаром до 40 000 км/с (13% от скорости света).

Литий — ещё один кандидат в спасители термоядерного синтеза

То, что порог вступления лития в термоядерные реакции хоть и высок, но преодолим, экспериментально установлено больше полувека назад. Нужно только с умом взяться за дело. Если капсулу с дейтеридом лития сперва обжать близким ядерным взрывом, а потом, в момент, когда её объём сократится вдесятеро, подорвать внутри капсулы второй ядерный заряд, то на фронте столкновения ударных волн всё получится. И прежде чем брошенные навстречу друг другу атомы поймут, куда им разлетаться, термоядерный заряд успеет выгореть.

Поскольку выделившейся энергии не так-то просто покинуть зону реакции, синтез, невозможный в плазме, в сжатом веществе даже при относительно низкой температуре разгорается по цепному принципу. Не использовать такое преимущество глупо. Импульсные реакторы, в которых термоядерная энергия выделяется в процессе микровзрывов, начали разрабатывать одновременно с плазменными — ещё в 1950-х годах.

Долгое время, впрочем, было больше разговоров, чем реальных дел. Несмотря на примитивность общего замысла, сложность установки не отвечала технологиям прошлого века. Детонацию ведра лития, допустим, можно вызвать встречным взрывом пары атомных бомб. Но чем с достаточной силой ударить по весящей одну сотую грамма крупице термоядерного горючего?!

Целевая камера на National Ignition Facility (NIF)

Двухметровая в поперечнике сфера, внутренняя поверхность которой полностью состоит из «стволов» направленных к центру лазеров, сама по себе фантастична. Но ещё фантастичнее принцип действия импульсного реактора. Залп световых пушек должен не обратить в пар (что легко представить), а, напротив, стиснуть, обжать давлением излучения трёхмиллиметровую топливную таблетку до диаметра в миллиметр или меньше.

Картина эта так поражала воображение, что половина исследователей, засев за вычисления, на всякий случай поспешила покрепче обосновать теоретическую невозможность работы построенного на безумном принципе реактора. Другая же половина упорно пыталась импульсную установку создать — и тоже преуспела. В 2013 году в Калифорнии на реакторе NIF был достигнут «положительный выход», так и оставшийся недосягаемым для плазменных реакторов.

Праздновать победу тем не менее рано. Дело не только в том, что в качестве топливных таблеток NIF использовали стеклянные шарики с дейтерий-тритиевым льдом, а потому превысившая затраты на лазерный импульс энергия выделилась в форме быстрых нейтронов, не имеющих ценности. Добившись успеха с водородом, можно будет перейти к экспериментам с гелием, а затем и с литием, заменив лазеры на более эффективные циклические ускорители…

Уголь будущего: сподумен — прозрачный минерал, содержащий литий

Но на этом этапе в полный рост встаёт четвёртая проблема термоядерного синтеза. Как преобразовывать выделяющуюся в активной зоне энергию в электричество, неведомо никому. Выпущенные на волю силы микромира порождают слишком «жёсткое» для использования в мирных целях излучение.

Если, как в нынешних электростанциях, химическое или ядерное пламя нагревает стенки котла с водой, давление пара будет вращать лопасти турбины. Но быстрые нейтроны просто пройдут сквозь котёл! Основной же продукт «безнейтронного» синтеза — альфа-частицы — отличает, напротив, низкая пробивная, зато огромная разрушительная сила. Рождённое в активной зоне ядро гелия не отскочит от стенки — оно вонзится в преграду, обратив вещество в пар и образовав кратер!

Одно время модно было твердить, что «проблема термоядерной энергетики — это проблема создания новых материалов», но постепенно возобладало иное мнение. По законам нашей Вселенной материалы, без вреда поглощающие быстрые нейтроны и не тающие под градом релятивистских альфа-частиц, существовать не должны. А значит, проблема не в них, а во Вселенной. Та просто не приспособлена для термоядерных реакторов существующих ныне типов!

В наши дни исследования в области управляемого термоядерного синтеза продолжаются с успехом и полным осознанием того, что цель недостижима методами, которые мы сейчас можем вообразить. В таких ситуациях люди обычно говорят: «Не больно-то и хотелось!» — и ищут иное применение своим талантам. Но здесь не тот случай. Термоядерная энергия — настолько значимый для человечества приз, что работает другой принцип: «Если нельзя, но очень хочется, то можно».

А хочется очень! Только термоядерная энергия позволит колонизировать Солнечную систему, переправляя грузы на Марс не тоннами, а миллионами тонн, перегоняя на околоземную орбиту железоникелевые астероиды и добираясь до спутников Нептуна за три-четыре месяца.

В фильме «Железное небо» земные сверхдержавы передрались за гелий-3

* * *

Энергия синтеза, которую можно получать без ограничений (лития не так много, как водорода, но достаточно), полностью изменит и Землю. Станут возможными глобальные проекты, скажем, по очистке атмосферы от избытка парниковых газов, накопившихся в эпоху углеводородной энергетики.

Углекислый газ из атмосферы в любом случае придётся изымать, одновременно повышая плотность отражающей солнечный свет облачности. Ведь неограниченное производство электроэнергии, большей частью переходящей в тепло, обязательно приведёт к перегреву планеты. Но новые, немыслимые сейчас, возможности термоядерной эры наверняка позволят сгладить остроту проблем, ими же порождённых.

Как укротить термоядерный синтез и зачем он нам нужен? / Хабр

Мы уже писали о неожиданных и примечательных идеях и разработках в области получения энергии от ядерного распада. А также о том, что приходится делать, когда с ядерными реакторами что-то идёт не так. Свобода, как известно, лучше несвободы, а синтез — лучше распада. Именно так подумали учёные ещё сто лет назад, когда сделали первые шаги по укрощению термоядерного синтеза. В этой статье мы кратко расскажем, что такое термоядерный синтез, на каком этапе находятся научные разработки и когда стоит ждать внедрения нового способа добычи энергии. В конце концов, именно за этим он и нужен человечеству.

Staring at the Sun: история открытия термоядерного синтеза

С развитием науки человечество начало задаваться вопросом о том, как работает Солнце, почему не гаснет и продолжает выделять тепло и свет. Ещё в двадцатых годах прошлого века — почти сто лет назад — британский учёный Артур Стэнли Эддингтон выступал с идеями протон-протонного цикла, то есть совокупности термоядерных реакций, в ходе которых водород в звёздах превращается в гелий. И сопутствует этой реакции выделение колоссальных объёмов энергии, что легко можно ощутить, просто выйдя на улицу в солнечный день.

Чуть позже, уже в тридцатые годы, учёные из Кембриджского университета под руководством австралийца Марка Олифанта в результате ряда экспериментов обнаружили нуклоны (общее название составляющих атомное ядро протонов и нейтронов) гелия-3 и трития, принимающие участие в этих реакциях, а их немецкий коллега, Ханс Бете, получил Нобелевскую премию по физике за вклад в теорию ядерных реакций и, особенно, за открытия, касающиеся источников энергии звёзд. Уже в 1946 году сэр Джордж Паджет Томсон и Моисей Блэкман описали и запатентовали идею Z-pinch, то есть системы удержания плазмы при помощи магнитного поля или «магнитной ловушки», которая легла в основу дальнейших экспериментов по созданию первых устройств управляемого термоядерного синтеза.


Лабораторная магнитная ловушка, фото: Sandpiper / Wikimedia Commons

Бесконечная мощь: преимущества, недостатки и препятствия для реализации

От истории перейдём к общей теории. Управляемый термоядерный синтез — это процесс получения более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью (в теории) использования выделяемой энергии для добычи электричества. По своей сути он противоположен реакции распада, которая применяется в традиционной ядерной энергетике. В основном для проведения реакции термоядерного синтеза используются дейтерий и тритий (так называемая реакция D-T), хотя также возможны варианты с дейтерием и гелием-3, между ядрами дейтерия (D-D) и другими сочетаниями изотопов.

Сами по себе атомные ядра взаимодействуют не особо охотно из-за «кулоновского барьера», то есть силы электростатического отталкивания между ними. Чтобы преодолеть её и начать реакцию в земных условиях, вещество необходимо нагреть до достаточно высокой температуры, причём речь в данном случае идёт о сотнях миллионов градусов. Именно от этого процесса термоядерный синтез и получил своё название. Сочетание дейтерия и трития в данном случае требует «минимальной» температуры для начала реакции (тех самых 100 млн градусов), поэтому в экспериментальных установках оно используется чаще всего.


Реакция термоядерного синтеза D-T. Источник: Toshiba Energy Systems &Solutions Corporation

Также в ходе реакции появляется большое количество нейтронов, но об их значении поговорим чуть ниже, а сперва постараемся пояснить, почему коммерческое применение этого процесса вообще будоражит умы человечества последние 70 лет. Итак, преимущества управляемого термоядерного синтеза:

  1. Сравнительная доступность изотопов для реакции. Дейтерий достаточно легко можно получить из морской воды, запасов которой на Земле более чем достаточно. Тритий в природе не встречается, так как имеет период полураспада всего в 12,3 года, но его получают из лития-6 и тяжёлой воды ядерных реакторов, от использования которых мы в ближайшие годы отказаться не готовы.
  2. Колоссальная энергоэффективность реакции — при сжигании, например, 1 грамма угля выделяется 34 тысячи джоулей энергии, а газа или нефти — 44 тысячи. Слияние атомов дейтерия и трития даёт 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт), то есть около 170 млрд джоулей тепла в пересчёте на 1 грамм массы вещества.
  3. Электростанции на базе управляемой термоядерной реакции из-за особенностей конструкции не должны способствовать увеличению «парникового» эффекта, то есть производить парниковые газы, угарный газ и пылевые облака — выгодное отличие от, например, ТЭС.
  4. Так же выгодно эти электростанции должны отличаться от АЭС, так как термоядерный реактор намного безопаснее. Реакция синтеза требует огромных затрат энергии и в земных условиях не может бесконечно длиться без подпитки извне. Это значит, что даже в случае аварии и повреждения оболочки мы не столкнёмся с расплавлением, радиоактивным заражением всего и вся на многие километры вокруг, а также с цепной реакцией или взрывом.

К тому же, при термоядерном синтезе не выделяются вещества, которые впоследствии возможно использовать для изготовления «грязного» оружия.


Токамак JET, фото: EFDA JET / Wikimedia Commons

Но почему же тогда сам принцип управляемого термоядерного синтеза, разработанный в середине прошлого века, до сих пор не реализован на практике либо реализован только в качестве экспериментальных установок, которые так и не начали производить электроэнергию? Давайте рассмотрим недостатки и ограничения этого процесса.

Сперва вернёмся к нашим нейтронам. В процессе реакции с применением D-T образуется нейтронный поток, который бомбардирует стенки защитной оболочки реактора. В результате мы имеем дело с так называемой «наведённой» радиацией, которая сильно усложняет обслуживание оборудования и, вполне возможно, приведёт к необходимости его периодической замены, так как со временем от бомбардировки нейтронами материалы становятся не только радиоактивными, но и хрупкими. Для решения этой проблемы предлагается использовать малочувствительные к радиации материалы, которые прослужат дольше, но их применение увеличит и без того колоссальные расходы на постройку электростанций термоядерного синтеза. Также рассматривается применение других действующих веществ, чтобы получить «безнейтронные» реакции, но о требованиях к плотности и температуре реакции для них мы уже говорили выше.

Ещё при текущем уровне развития технологий учёные и инженеры не могут добиться того, чтобы расход энергии на нагрев и доведение вещества в реакторе до состояния плазмы, а затем на поддержание его в этом состоянии, несмотря на постоянную потерю тепла (а также на охлаждение системы, работу электромагнитов и других подсистем), упал ниже, чем количество выделяемой в ходе реакции энергии. Например, британский токамак JET достиг соотношения между поступающей и отдаваемой энергией всего в 67%, то есть 0,67 Q. Q — показатель, который выражает отношение количеств затраченной и полученной в такой системе энергии, и для того, чтобы реакция термоядерного синтеза считалась самоподдерживающейся, он должен быть равен хотя бы 5, а для выработки полезных мощностей — намного выше. На сегодняшний день реакторов с таким значением в мире не существует.

Финальным вопросом, конечно, является окупаемость и стоимость. Чтобы добиться точной имитации реакций внутри Солнца, недостаточно просто взять тритий и дейтерий и поднести к ним условную спичку. Реактор термоядерного синтеза — это невероятно сложная, громоздкая и дорогая конструкция, в которой нашлось место массивной системе охлаждения, огромному количеству электромагнитов разных типов и даже собственным электростанциям.

По оценкам, расходы на строительство экспериментального токамака ITER (о нём ниже), которое ещё не завершено, могут превысить 20 млрд долларов. При этом реактор вообще не рассчитан на производство электроэнергии, то есть единственной прибылью от эксплуатации ITER будет опыт совместной работы учёных и экспериментальные данные.

Практическая магия: основные типы конструкции и вехи их развития

Условно установки для управляемого термоядерного синтеза можно разделить на четыре типа: токамаки, стеллараторы, зеркальные ловушки и импульсные системы. На их примере мы предлагаем рассмотреть как развитие идей, которые в дальнейшем могут привести к производству электроэнергии при помощи термоядерного синтеза, так и «тупиковые» ветви, которые по тем или иным причинам в ближайшие годы (или никогда) не выйдут за рамки теории и экспериментов.

Токамак — это сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками», каковая камера — главный элемент реактора, который служит для удержания плазмы. Намотанные вокруг камеры реактора магнитные катушки в данном случае применяются для того, чтобы создать специальное поле, удерживающее плазму от соприкосновения с её стенками, чего современные теплоизолирующие материалы просто не выдержали бы. В то же время через саму плазму также пропускается ток, который служит и для её нагрева, и для создания полоидального магнитного поля. В современных условиях это поле не может существовать дольше нескольких секунд, а без него плазма теряет свою стабильность, поэтому говорить о применении токамаков для постоянного производства электроэнергии ещё рано, хотя поддерживать ток более длительное время можно при помощи микроволнового излучения или введения в плазму нейтральных атомов дейтерия/трития.


Токамак KSTAR, Южная Корея, фото: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons

Идеи токамаков впервые описали в Советском Союзе ещё в 50-х годах прошлого века, а первый такой реактор был построен в Курчатовском институте в 1954 году. Долгое время токамаки оставались чисто советской разработкой, но в 1970-х британские учёные подтвердили рекордные результаты разогрева плазмы, достигнутые на советском токамаке Т-3, и технологией заинтересовались по всему миру.

На сегодняшний день токамаки считаются наиболее перспективной разработкой, и в мире их количество превышает количество установок других типов. Среди достижений в этой сфере стоит отметить китайский EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, построен при поддержке РФ), который достиг в 2018 году температуры плазмы в 100 млн градусов, европейский JET (Joint European Toru), который находится в Великобритании и считается крупнейшим токамаком в мире, а также уже упомянутый выше ITER, на котором остановимся более подробно.


Схема токамака ITER. Источник: Oak Ridge National Laboratory — ITER Tokamak and Plant Systems (2016) / Wikimedia Commons

Идея постройки ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, международный термоядерный экспериментальный реактор) обсуждалась ещё в 1985 году, на встрече Рональда Рейгана и Михаила Горбачева, но реальное строительство началось только в 2010 году. В работе над реактором принимают участие множество стран, включая Японию, государства ЕС, Россию, США, Южную Корею, Китай и Индию. Итогом совместного проекта станет гигантское сооружение весом в 23 000 тонн, которое сместит JET с пьедестала самого крупного токамака на планете и теоретически будет способно довести показатель Q до 30, хотя создатели ITER не ставят перед собой цель добиться выработки электроэнергии — задача токамака окончательно доказать саму возможность использования термоядерного синтеза в этой сфере и проложить «путь» (именно так переводится с латыни сокращённое название реактора) для DEMO, первого токамака с «положительным» балансом, который запустится не раньше середины XXI века.

На долю Японии в проекте ITER выпали разработка и производство одного из важнейших элементов — сверхпроводящих катушек, необходимых для формирования магнитного поля вокруг камеры реактора. В частности, компания Toshiba занимается разработкой конструкции гигантских 16,5-метровых катушек для тороидального поля, которые весят около 300 тонн. При этом необходимо соблюдать крайне строгие допуски на размеры каждой детали — всего в несколько миллиметров — поэтому большим подспорьем становятся технологии и методы, изобретённые во время работы над японскими экспериментальными токамаками, JT-60 и JT-60SA.

Стеллараторы (от лат. stella — «звезда») получили своё название из-за схожести процессов в реакторе с теми, что происходят внутри звёзд. Первый образец был построен в 1951 году в США под руководством его изобретателя, Лаймана Спитцера. Основное отличие стеллараторов от токамаков заключается в конструкции магнитной ловушки: в стеллараторах для удержания плазмы в камере применяется только внешние катушки, которые создают силовые линии, вращающиеся вокруг камеры. Такая конструкция теоретически позволяет использовать магнитную ловушку в непрерывном режиме. В стеллараторах, как и в токамаках практически всегда применяется смесь дейтерия и трития, которая вводится в вакуумный сосуд камеры. В современных вариантах конструкции отказались от камеры в форме обычного тора в пользу сложных моделей, созданных с применением компьютерного моделирования. Их цель — добиться максимальной эффективности удержания плазмы.


Стелларатор Wendelstein 7-X. Источник: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons

Несмотря на возможность непрерывного воздействия на плазму и изменённую конструкцию камеры стеллараторы не получили такого широкого распространения, как токамаки. В первую очередь это связано с большей сложностью конструкции и меньшей их эффективностью в современных условиях. Wendelstein 7-X, построенный в г. Грайфсвальд в Германии в 2015 году стал крупнейшим стелларатором в мире и своеобразной «эпитафией» этой разработке. По расчётам учёных он должен был довести время непрерывного воздействия электромагнитов на плазму до 30 минут, чтобы продемонстрировать возможность использования стеллараторов для долгосрочной генерации электроэнергии. При этом в 2018 году в ходе эксперимента температуру плазмы удалось поднять только до 40 000 градусов Цельсия, а время работы — довести до 100 секунд. Следующие испытания запланированы на 2021 год.

Импульсные системы — этот тип установок для управляемого термоядерного синтеза остаётся по большей части теоретической разработкой. Ещё академик Андрей Сахаров в 1960 году доказал, что термоядерный синтез возможен без использования магнитных ловушек, предложив противоположный классическому подход. В данном случае речь идёт не о сверхразреженной плазме, которую электромагнитные поля удерживают на месте долгое время, а о сверхплотном (и крайне недолговечном) её варианте. Миниатюрные «мишени» с замороженным D-T составом в импульсных системах предлагается взрывать при помощи мощных лазеров или пучков излучения, чтобы добиться своеобразного аналога взрывов топлива в бензиновых двигателях, только на уровне термоядерных реакций. Такая система с периодическими взрывами может обеспечить почти непрерывную цепочку из термоядерных реакций, вырабатывающих энергию, при этом (в теории) не повреждая оболочку реактора.


Лазерный ангар NIF/ Источник: Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons

Из существующих разработок в этой сфере стоит упомянуть проект MagLIF и установки NIF (National Ignition Facility, или Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций) Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии. Несмотря на сохраняющийся потенциал этой идеи в 2012 году правительство США планировало прекратить финансирование программы из-за мизерных практических результатов. По состоянию на сегодняшний день эксперименты продолжаются, но сложность самих «мишеней» и необходимость регулярной доставки их в камеру, в которой затем происходит взрыв, эквивалентный тонне тротила, оставляют этот тип установок далеко позади токамаков и стеллараторов по уровню практичности.

Зеркальные ловушки — первый эксперимент с использованием «открытых» магнитных ловушек был проведен ещё в 1955 году во всё той же Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Идея ловушек заключалась в том, чтобы использовать не закрытый тор, а магнитный сосуд вытянутой формы, открытый с двух противоположных концов. «Новая» плазма в этом случае должна была разогреваться до нужной температуры, отдавать энергию и выходить через боковые отверстия (либо отбиваться магнитным полем обратно, как от зеркал — отсюда и название). Благодаря такой форме и механизму их стоимость оказалась намного ниже, чем у конкурирующих разработок, так что какое-то время зеркальные ловушки казались крайне перспективной разработкой. Но со временем экспериментаторы столкнулись с нестабильностью плазмы, плохо изученной на момент начала разработок, что привело к проблемам и невозможности достичь необходимых для термоядерного синтеза температур. В дальнейшем в конструкцию неоднократно вносились изменения, но амбициозная американская установка MFTF, например, была закрыта ещё до начала пробных запусков, так как токамаки в итоге оказались проще, мощнее и дешевле.

Из интересных разработок этого типа стоит отметить российский ГДЛ (газодинамическая ловушка) из Новосибирска, который создаётся на базе советского проекта 50-х годов, «открытой» ловушки «пробкотрон Будкера». По состоянию на 2018 год учёным Новосибирского Института ядерной физики СО РАН удалось достичь температуры в 10 млн градусов, а в 2020 году они получили грант от Минобрнауки РФ на закупку нового оборудования для продолжения экспериментов.

Красивое завтра: вместо выводов

Среди учёных, занимающихся проблемами термоядерного синтеза, ходит шутливое высказывание, что до успеха исследований и начала коммерческого применения реакторов «осталось всего-то лет 30», причём отвечают они так уже далеко не первый десяток лет (стабильность!). Тем не менее, технологии продолжат развиваться, а человечество — искать способы «приручить» термоядерный синтез и создать миниатюрное искусственное Солнце, которое обеспечит наши потребности в электроэнергии без риска повторить Чернобыльскую катастрофу и без постоянного вреда для экологии планеты. Прямое влияние на эти исследования могут оказать такие разработки, как ITER, и мы рады, что Япония и корпорация Toshiba принимают в них непосредственное участие. А что будет дальше… посмотрим через 30 лет.

Термоядерные реакции

Термоядерные реакции


Thermonuclear reactions

    Термоядерные реакции − реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах. Эти реакции обычно идут с выделением энергии, поскольку в образовавшемся в результате слияния более тяжёлом ядре нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют, в среднем, бoльшую энергию связи, чем в исходных сливающихся ядрах. Избыточная суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции. Название “термоядерные реакции” отражает тот факт, что эти реакции идут при высоких температурах (>107–108 К), поскольку для слияния лёгкие ядра должны сблизиться до расстояний, равных радиусу действия ядерных сил притяжения, т.е. до расстояний ≈10-13 см. А вне зоны действия этих сил положительно заряженные ядра испытывают кулоновское отталкивание. Преодолеть это отталкивание могут лишь ядра, летящие навстречу друг другу с большими скоростями, т.е. входящие в состав сильно нагретых сред, либо специально ускоренные.
    Ниже приведены несколько основных реакций слияния ядер и указаны для них значения энерговыделения Q. d означает дейтрон − ядро 2Н, t означает тритон − ядро 3Н.

d + d → 3He + n + 4.0 МэВ,
d + d → t + p + 3.25 МэВ,
t + d → 4He + n + 17.6 МэВ,
3He + d → 4He + p + 18.3 МэВ.

Реакция слияния ядер начинается тогда, когда сталкивающиеся ядра находятся в области их взаимного ядерного притяжения. Чтобы так сблизиться, сталкивающиеся ядра должны преодолеть их взаимное дальнодействующее электростатическое отталкивание, т.е. кулоновский барьер. Скорость реакции слияния крайне мала при энергиях ниже нескольких кэВ, но она быстро растет с ростом кинетичской энергии ядер, вступающих в реакцию. Соответствующие эффективные сечения реакций в зависимости от энергии дейтрона приведены на рис. 1.


Рис. 1. Зависимость эффективных сечений реакции слияния
от энергии дейтрона.

    Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности ≈100 г/см3 и температуре 107 К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (4Не). При каждом таком превращении выделяется энергия 26.7 МэВ. Эта цепочка реакций (называемая протон-протонной) начинается с реакции (1) и приведена на рисунке.


Протон-протонная цепочка.

    На Земле самоподдерживающиеся термоядерные реакции с выделением огромной энергии осуществлялись в течение очень короткого времени (10-7–10-6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких взрывах, является реакция слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:

2

Н + 3Н 4Не + n.

При этом освобождается энергия 17.6 МэВ.
    В настоящее время ведутся работы по созданию термоядерного реактора, где ядерную энергию в промышленных масштабах предполагается получать за счёт управляемого термоядерного синтеза


См. также

Ученые с помощью лазера получили рекордные 1,3 млн Джоулей термоядерной энергии | Атомная энергетика

Эксперимент по термоядерному синтезу на крупнейшей в мире лазерной установке высвободил 1,3 млн Джоулей энергии, приблизившись к точке безубыточности, известной как зажигание. Именно в этот момент термоядерный синтез начинает выделять больше энергии, чем требуется для его детонации. Об этом пишет ScienceNews.

Суть эксперимента состояла в том, что ученые из Национальной лаборатории зажигания (NIF) проникали лазером в крошечную капсулу, где запускали термоядерные реакции, производившие более 10 квадриллионов Ватт энергии за 100 триллионных долей секунды.

Эксперимент высвободил около 70% энергии лазерного света, используемого для запуска реакций синтеза, что сделало установку намного ближе к зажиганию, чем когда-либо прежде.

Ученым удалось достичь этого порога тем, что капсула поглощает только часть всей сфокусированной на ней лазерной энергии, а реакции на самом деле производят больше энергии, чем непосредственно затрачиваются на их зажигание.

Ядерный синтез — это тот же процесс, что «приводит в действие» Солнце. Для ученых это привлекательный источник энергии, потому что он не приведет к образованию парниковых газов, вызывающих потепление климата, или опасных, долгоживущих радиоактивных отходов. В ядерном синтезе ядра водорода сливаются вместе, образуя гелий, высвобождая при этом энергию. Но термоядерный синтез требует экстремальных температур и давления, что затрудняет контроль и управление.

В термоядерных экспериментах, которые проводит NIF, 192 лазерных луча сходятся на небольшом цилиндре, содержащем топливную капсулу размером с горошину. Когда этот мощный лазерный импульс попадает в цилиндр, рентгеновские лучи выходят наружу, испаряя внешнюю часть капсулы и взрывая топливо внутри. Оно представляет собой смесь дейтерия и трития. Когда топливо взрывается, то достигает предельной плотности, температуры и давления, необходимых для превращения водорода в гелий. Этот гелий может дополнительно нагревать остальную часть топлива, так называемое альфа-нагревание, вызывая цепную реакцию термоядерного синтеза.


Читайте далее

Гигантский айсберг A74 столкнулся с побережьем Антарктиды

В Китае обнаружены два новых вида динозавров

Что такое эффект Кесслера, а также когда и к чему приведет столкновение спутников на орбите

Может ли ядерный синтез притормозить изменение климата?

Сомневающиеся были не просто фанатиками – они были творческими мыслителями, посвятившими десятилетия своей жизни исследованиям термоядерного синтеза. Сделать H.T.S. в магнит достаточного размера. И мощное магнитное поле, созданное H.T.S. обязательно будет иметь последствия, которые до конца не изучены. В истории экспериментальной науки были все основания ожидать сюрпризов. Финансирование проектов термоядерного синтеза и без того было ограниченным; другая идея может отвлечь деньги от проектов, которые многие ученые считают более перспективными.Вполне разумно было спросить, действительно ли члены M.I.T. В команде были братья Райт или Сэмюэл Пирпонт Лэнгли – глава Смитсоновского института, который в 1903 году разбил свой очень дорогой аэродром в Потомак, а затем, через пару лет, сделал это снова.

После основного выступления Уайта M.I.T. толпа вышла на обед в Stubb’s Bar-B-Q. «Это место со скатертями в красную клетку и едой, которая идет с большим количеством салфеток», – сказал Уайт. Все за столом знали, что основное финансирование их работы закончится в течение года.Как вспоминает Мамгаард: «По сути, у всех нас были розовые бланки, но мы все еще оставались там. И вопрос был в том, почему? Нам пришлось научиться слушать себя. Неужели мы действительно поверили, что поле было тем местом, где мы говорили, что думали? » Был H.T.S. действительно ли новый блестящий рычаг, который радикально продвинет синтез? Уайт и его коллеги начали писать на салфетке подробности того, как они могут сделать SPARC , а затем ARC реальностью. Они записали оценки того, сколько денег будет стоить его разработка.«Это было похоже на этот коллективный рассвет, что это действительно возможно», – сказал он мне. Из-за ребят они решили, что будут финансировать свою работу лотерейными билетами, венчурным капиталом или благотворительностью – так или иначе они сделают свою достаточно хорошую термоядерную электростанцию ​​реальной.

30 сентября 2016 года старое экспериментальное термоядерное устройство M.I.T., проработавшее двадцать пять лет, было вынуждено отключиться к полуночи. «Это устройство выпустили более ста пятидесяти кандидатов наук.- задумчиво сказал Уайт. «Он установил рекорды, хотя он в сто раз меньше, чем ITER ». Хотя M.I.T. никогда не рассказывали, почему это устройство было остановлено – Министерство энергетики продолжало финансировать два других проекта токамака в США – высказывались предположения, что причина заключалась в том, что оно было самым маленьким. «Что иронично, потому что мы пытаемся достичь меньшего размера», – сказал Уайт. Исследователи проводили эксперименты на машине до последней разрешенной минуты. В 10:30 P . M ., Они установили мировой рекорд по температуре и давлению. В полночь они разделили шампанское.

«Я пошел домой вскоре после полуночи, но не мог уснуть, – сказал Уайт. В своем домашнем офисе, с картинами его жены с деревьями и цветами на стене, он начал просматривать данные последних экспериментов: «Я просто пытался понять, что наши результаты будут означать в машине с более сильным магнитным полем. », Как если бы производился с HTS магниты. «Это означало, что spARC может обеспечить сто миллионов ватт.«Это было даже больше, чем предполагала команда в Остине. Уайт видел святой Грааль слияния.

The M.I.T. команда продолжала посвящать свое время ARC / SPARC , стегая вместе стипендии и гранты. В какой-то момент, чтобы рассчитать заработную плату, техники спустились в подвал и загрузили грузовики медным ломом для продажи. SPARC Underground был создан – группа заинтересованных ученых, которые регулярно встречались, чтобы обсудить планы и проработать трудности. Им нужно было купить столько же H.Т.С. как могли, чтобы узнать больше о характеристиках материала – молотить его, нагревать, замораживать, пропускать через него ток. «Я так хорошо помню первую партию H.T.S.», – сказал Мамгаард. «Мы месяцами ждали, чтобы получить эту катушку с материалом. Всего пятьсот метров. Теперь, если мы не говорим о десяти километрах, мы ни о чем не говорим. В наши дни вы можете заказать это на Alibaba.com. Но тогда… это был такой момент ».

Команде приходилось решать инженерные задачи, а также решать бизнес-задачи, в том числе убеждать поставщиков в наличии рынка для материала, чтобы производить больше.«Мы встретились с ними и спросили, рассматривают ли они фьюжн как рынок», – сказал мне Мамгаард. «Они сказали:« Ни за что, это ненастоящая вещь »». После двух лет обширной лабораторной работы и мечтательных разговоров за пятидолларовыми кувшинами Miller High Life в Muddy Charles Pub, SPARC Underground превратился в Commonwealth Fusion. Systems, частная компания по производству термоядерной энергии, состоящая из семи человек и поддерживающая постоянные отношения с Массачусетским технологическим институтом. (C.F.S. финансирует исследования в M.I.T., который делится своими интеллектуальными ресурсами и некоторыми лабораторными помещениями с C.F.S .; патенты подаются совместно.) Некоторые спонсоры C.F.S. – европейские энергетические компании, а некоторые – филантропы. К 2021 году в компании работало более ста пятидесяти человек, многие из которых были ветеранами SpaceX и Tesla.

«Энергия – это рынок », – сказал Мамгаард. «Если бы вы знали, что существует рынок в десять триллионов долларов – это тяга. Вы даже не могли бы сказать, что существует настолько большой рынок компьютеров или социальных сетей. Но об энергии можно сказать то же самое ».

Центр изучения плазмы и термоядерного синтеза, в северо-западном углу улицы М.ЭТО. кампус, находится всего в нескольких минутах ходьбы от кембриджских кампусов Pfizer и Moderna. В марте Уайт и Мамгаард встретили меня на крыльце. Мамгаард теперь генеральный директор. из C.F.S .; Соучредитель Уайт остается в M.I.T. Они носили футболки и имели не подстриженные волнистые волосы, придававшие им вид амбициозных серфингистов. Я был там, чтобы встретиться с ними, а также встретить их магнит, который все еще строился. Может быть, это сработает, а может быть, это вернет команду к этапам планирования на долгие годы.День был теплый и солнечный. Если бы предлагали Kool-Aid, я бы выпил не один стакан, а два.

Аристотель описал магнетизм как работу души внутри камня. Магниты использовались для навигации кораблей, для левитации высокоскоростных поездов, для изображения внутренней части человеческого тела и для перемещения железных опилок, чтобы сделать глупую бороду на изображении лица, заключенном в пластиковый пузырь. В 1951 году физик Лайман Спитцер предположил, что магнитное поле может служить сосудом, в котором может содержаться плазма, воссоздающая давление и температуру внутри звезды.С тех пор магниты занимают центральное место в исследованиях термоядерного синтеза.

Мамгаард и Уайт провели для меня экскурсию по своим лабораториям. Первая остановка была у того, что выглядело как кафедра в комнате с кубиками. Дальняя стена комнаты была пультом управления для первого экспериментального термоядерного устройства M.I.T., построенного в восьмидесятых годах прошлого века. На кафедре были изображены обычные плазмы: солнце, молнии, северное сияние, магнитный синтез и неоновая вывеска с надписью « OPEN ». На кафедре была установлена ​​полая стеклянная трубка, обмотанная медной проволокой в ​​двух местах.Провод был расположен так, чтобы по нему мог проходить ток, а стеклянная трубка была подвешена над металлической пластиной. Возможно, вы помните демонстрацию на уроке естествознания в старшей школе, как электрический ток проходит по спиральным проводам, создавая электромагнитное поле – по сути, это была более изощренная версия этого. «Вы можете включить его», – сказал Мамгаард.

Нажал черную кнопку. Начался мурлыкающий звук. «Это звук вакуума, откачивающего воздух из стеклянной трубки», – сказал Мумгаард.Он повернул вентиль, выпустив в трубку крошечный водород. Появился ярко-розовый сияющий свет, вложенный в стеклянную трубку, как матрешка. Магнитное поле, содержащее розовую плазму, было видно в виде пустого пространства между стеклом и свечением. «Этот розовый цвет – это перегретая плазма», – сказал Мумгаард. «Как минимум тысяча градусов. Но прикоснись к стеклу ». Стекло было крутым. «Теперь коснитесь медных проводов». Они были теплыми, но не горячими. Теплота медных проводов объясняется не их близостью к перегретой плазме, а, скорее, тем, что медь не является идеальным проводником; часть энергии, проходящей через него, теряется в виде тепла.Сверхпроводники почти не теряют тепла – энергии.

Казалось невозможным, чтобы розовая плазма внутри трубки, горячая, как молния, не была опасной. Неужели часть этого не может вытечь из магнитной бутылки с катастрофическими последствиями? В ответ Мамгаард повернул вентиль, чтобы в стеклянную трубку попало немного воздуха; плазма исчезла. «Люди думают о синтезе так же, как и о делении, как об этой подавляющей реакции, но на самом деле это такой деликатный процесс», – сказал Уайт.«Это как свеча на ветру. Что угодно может взорвать его. Даже одно человеческое дыхание ».

Многое из того, что Мумгаард и Уайт показали мне на P.S.F.C. была стандартной частью термоядерной науки. Магнитная бутылка – это старая идея, а плазма – наиболее распространенное состояние вещества; это состояние, в котором находится 99,9% Вселенной. Ученые десятилетиями изучали плазму и магнитные бутылки. Многое из того, что кажется сложным в термоядерном синтезе физику плазмы, – как будет производиться и утилизироваться тритий? Как можно предвидеть и противодействовать режимам, локализованным на краю? Позволят ли квантовые вычисления изучать электромагнитные волны в плазме? – это так по-гречески для непрофессионала.Напротив, многое из того, что непрофессионалу кажется сложным в термоядерном синтезе – сверхгорячая плазма, магнитные бутылки, тороидальные катушки – это хлеб с маслом для ученого, занимающегося термоядерным синтезом.

«Как энергия, синтез в некотором смысле очень прозаичен», – сказал Уайт. «Это сильный источник тепла».

«И мы превращаем тепло в электричество со времен Джеймса Ватта», – добавил Мамгаард, имея в виду англичанина восемнадцатого века, чья разработка парового двигателя привела к промышленной революции. Мумгаард часто подчеркивает, что C.Ф.С. строит «стандартный, даже скучный» станок, используя «скучную, неинновационную» технологию, «но по очень нескучным причинам».

Единственное исключение – H.T.S. магнит – наиболее захватывающий элемент исследования, вызывающий наибольшее сомнение в научном сообществе. «Я просто задаюсь вопросом о материальных напряжениях такого мощного магнитного поля», – сказал мне один ученый. «H.T.S. Магниты, безусловно, будут использоваться в будущих токамаках, но я подозреваю, что они будут использоваться с более слабым магнитным полем.

«Большая часть критики, которую мы слышим, касается не науки, а графика», – сказал Мумгаард. На разработку магнитов внутри ITER ушло тридцать лет. «Это заняло у нас три года». Он с трудом сдерживал ухмылку; это был тот единственный момент мальчишеского оптимизма и эго, который я увидел в нем.

«Хотите спеть государственный гимн перед обедом?» Мультфильм Джастина Шина

SPARC будет иметь восемнадцать H.T.S. магниты; каждый будет состоять из шестнадцати «блинчиков» – восьми футов высотой штабелируемых D-образных ломтика.Я встретил блин в West Cell, огромной открытой лаборатории в Массачусетском технологическом институте. который напоминает ангар для самолета. Из-за того, что там тестируют блины и пончики, West Cell стали называть West Cell Diner. Блинам дали названия в алфавитном порядке. Первый производственный блин назывался «Яйцо». Когда я был там, я увидел Строберри. «Изначально мы планировали позавтракать для команды блинами, когда закончим, – сказал Уайт. « COVID делает это менее вероятным.

Земляника была, кстати, красивой. Он состоял из змеевиков из стали, меди, H.T.S. и гелиевого теплоносителя, потому что даже высокотемпературный сверхпроводник нужно держать очень холодным. (По своей внутренней структуре магнит был скорее круассаном, чем блином.) «Я помню, когда был готов первый блин, и мы так аккуратно его передвигали», – сказал Уайт. «Наши сердца были в наших устах – это было как Святая корова. Потом, на прошлой неделе, это был пятнадцатый блин. Мы его перевернули, соединили, как будто тысячу раз проделывали.”

C.F.S. это не единственное предприятие, которое пытается быть братьями Райт. В 2001 году Мишель Лаберж оставил свою работу физика и инженера в полиграфической компании и начал работу над проектом термоядерного синтеза, который превратился в General Fusion, канадскую компанию, разрабатывающую технологию, называемую синтез с магнитной мишенью. General Fusion пользуется поддержкой Джеффа Безоса, хотя некоторые физики плазмы отмечают, что они не видели достаточно опубликованных работ, чтобы знать, как развивается термоядерное устройство. Энергетическое агентство Великобритании поручило General Fusion построить демонстрационный завод в Калхэме, Оксфордшир, где в девяностых годах прошлого века были установлены главные рекорды термоядерного синтеза.General Fusion объявила о своем намерении открыть завод в 2025 году, в год, когда C.F.S. планирует включить свой выключатель на демонстрационном заводе SPARC , строящемся в Девенсе, Массачусетс. Сейчас существует не менее двадцати стартапов по слиянию, и все они извлекают выгоду из технологических достижений в области трехмерной печати и искусственного интеллекта. У компаний разные риски. TAE в округе Ориндж, штат Калифорния, использует топливо – бор, для которого требуются более высокие температуры, но при этом не образуются побочные радиоактивные продукты.Физики описывают синтез бора как «элегантный» и даже «идеальный», хотя в некоторых отношениях и более сложный. Майкл Биндербауэр, глава TAE, сказал мне: «Я не называю эти другие компании своими конкурентами, я называю их своими соотечественниками. У нас одни и те же цели, и любому из нас будет приятно их достичь ».

C.F.S. седьмым наняли Джой Данн, аэрокосмического инженера, нанятого из SpaceX и возглавившего производство. У Данна тридцать пять лет, у него молодое лицо и короткие волосы рокабилли; она любит подводное плавание с аквалангом, из-за чего уехать из Калифорнии было трудно.Она училась в Массачусетском технологическом институте. как студент, и в одном из первых C.F.S. встреч, она оказалась сидящей рядом со своим профессором гидродинамики. «Я думала, надеюсь, он не помнит, какую оценку я получила в его классе», – сказала она.

Одной из основных задач Данна было производство магнитов, включая блины, которые я видел в закусочной West Cell. Когда я встретил ее, испытание магнитов было неизбежным, но Данн сказала мне, что она не особо беспокоилась о неудаче. «Когда они нанимали меня, они подчеркнули, что это не физическая проблема, а инженерная проблема», – сказала она.«Это мне понравилось. Вы не можете изменить законы физики, но инженерная проблема решаема ».

Почему обещание ядерного синтеза больше не является несбыточной мечтой

Это похоже на мечту: практически безграничный источник энергии, который не производит парниковых газов или радиоактивных отходов. Это обещание ядерного синтеза, который на протяжении десятилетий был не более чем фантазией из-за непреодолимых технических проблем. Но все накаляется в том, что превратилось в гонку за создание того, что можно сравнить с искусственным солнцем здесь, на Земле, которое может обеспечивать энергией наши чайники, автомобили и электрические лампочки.

Сегодняшние атомные электростанции вырабатывают электричество посредством ядерного деления, при котором атомы расщепляются. Однако ядерный синтез включает объединение атомных ядер для высвобождения энергии. Это та же реакция, которая происходит в ядре Солнца. Но преодолеть естественное отталкивание между атомными ядрами и поддерживать правильные условия для синтеза не так просто. И делать это таким образом, чтобы производить больше энергии, чем потребляет реакция, на протяжении десятилетий было вне досягаемости лучших умов физики.

Но, возможно, ненадолго. Некоторые серьезные технические проблемы были преодолены за последние несколько лет, и правительства всего мира вкладывают деньги в исследования термоядерной энергии. Более 20 частных предприятий в Великобритании, США, Европе, Китае и Австралии борются за то, чтобы первыми сделать производство термоядерной энергии реальностью.

«Люди говорят:« Если это действительно окончательное решение, давайте выясним, работает оно или нет », – говорит д-р Тим Люс, руководитель отдела науки и эксплуатации Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), строящегося на юго-востоке страны. Франция.ITER – это самый крупный бросок кубиков для термоядерного синтеза.

Стоимость его строительства в размере 22 млрд долларов (15,9 млрд фунтов стерлингов) покрывается правительствами двух третей населения мира, включая ЕС, США, Китай и Россию, и когда он будет запущен в 2025 году, он станет мировым самый большой термоядерный реактор. Если это сработает, ИТЭР превратит термоядерную энергию из предмета мечты в жизнеспособный источник энергии.

Подробнее о термоядерных реакторах:

Строительство термоядерного реактора

ITER будет реактором-токамаком, который считается лучшей надеждой на термоядерную энергию.Внутри токамака газ, часто изотоп водорода, называемый дейтерием, подвергается сильному нагреву и давлению, вытесняя электроны из атомов. Это создает плазму – перегретый ионизированный газ, который должен сдерживаться интенсивными магнитными полями.

Защита жизненно важна, поскольку ни один материал на Земле не может выдержать сильную жару (100000000 ° C и выше), которой должна достичь плазма, чтобы мог начаться синтез. Это почти в 10 раз больше тепла в ядре Солнца, и такие температуры необходимы для токамака, потому что гравитационное давление внутри Солнца не может быть воссоздано.

Когда атомные ядра действительно начинают сливаться, высвобождается огромное количество энергии. В то время как экспериментальные реакторы, которые в настоящее время работают, выделяют эту энергию в виде тепла, на электростанции с термоядерным реактором тепло будет использоваться для производства пара, который будет приводить в действие турбины для выработки электроэнергии.

Токамаки – не единственные испытываемые термоядерные реакторы. В реакторах другого типа используются лазеры для нагрева и сжатия водородного топлива для инициирования термоядерного синтеза. В августе 2021 года одно такое устройство в Национальном центре зажигания в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии сгенерировало 1.35 мегаджоулей энергии. Этот рекордный показатель приближает термоядерную мощность к чистому приросту энергии, но большинство надежд по-прежнему возлагается на реакторы токамака, а не на лазеры.

В июне 2021 года китайский экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий реактор токамак (EAST) поддерживал плазму в течение 101 секунды при температуре 120 000 000 ° C. До этого рекорд был 20 секунд. В конечном итоге термоядерный реактор должен поддерживать плазму неограниченное время – или, по крайней мере, в течение восьмичасовых «импульсов» в периоды пикового спроса на электроэнергию.

Настоящим изменением правил игры для токамаков стали магниты, используемые для создания магнитного поля. «Мы знаем, как делать магниты, которые генерируют очень сильное магнитное поле из меди или других металлов, но за электричество нужно заплатить целое состояние. Это не будет чистой прибылью от завода », – говорит Люс.

Одним из способов ядерного синтеза является использование атомов дейтерия и трития, обоих изотопов водорода. Они плавятся под невероятным нагревом и давлением, и получаемые продукты выделяют энергию в виде тепла © Getty Images

Решение состоит в использовании высокотемпературных сверхпроводящих магнитов из сверхпроводящего провода или «ленты», не имеющего электрического сопротивления.Эти магниты могут создавать сильные магнитные поля и не терять энергию в виде тепла.

«О высокотемпературной сверхпроводимости известно уже 35 лет. Но только недавно были разработаны производственные возможности для изготовления ленты такой длины, которая потребовалась бы для изготовления подходящей катушки для плавления », – говорит Люс. Один из магнитов ИТЭР, центральный соленоид, будет создавать поле в 13 тесла, что в 280 000 раз больше магнитного поля Земли.

Внутренние стенки вакуумного резервуара ИТЭР, где будет происходить синтез, будут покрыты бериллием, металлом, который не сильно загрязняет плазму, если они соприкасаются.Внизу находится дивертор, который будет держать температуру внутри реактора под контролем.

«Тепловая нагрузка на дивертор может быть такой же большой, как у сопла ракеты», – говорит Люс. «Ракетные сопла работают, потому что вы можете выйти на орбиту за считанные минуты, а в космосе очень холодно». В термоядерном реакторе дивертор должен выдерживать это тепло бесконечно долго, а в ИТЭР будут испытывать один из вольфрама.

Между тем, в США осенью 2022 года будет запущен термоядерный реактор Национального эксперимента со сферическим тором – Модернизация (NSTX-U).Одним из его приоритетов будет выяснить, помогает ли футеровка реактора литием поддерживать стабильность плазмы.

Подробнее о ядерном синтезе:

Выбор топлива

Вместо того, чтобы просто использовать дейтерий в качестве термоядерного топлива, ITER будет использовать дейтерий, смешанный с тритием, другим изотопом водорода. Смесь дейтерия и трития дает наилучшие шансы получить значительно больше энергии, чем вложено. Сторонники термоядерной энергии говорят, что одна из причин безопасности технологии заключается в том, что топливо необходимо постоянно подавать в реактор, чтобы поддерживать термоядерный синтез. безудержная реакция невозможна.

Дейтерий может быть извлечен из морской воды, поэтому его запасы практически безграничны. Но считается, что во всем мире существует только 20 кг трития, поэтому его придется производить на термоядерных электростанциях (ИТЭР будет разрабатывать технологию для «размножения» трития). Хотя некоторые радиоактивные отходы будут производиться на термоядерном заводе, их срок службы составит около 100 лет, а не тысячи лет после деления.

На момент написания в сентябре исследователи термоядерного реактора Joint European Torus (JET) в Оксфордшире должны были начать свои реакции синтеза дейтерия и трития.«JET поможет ИТЭР выбрать параметры машины для оптимизации мощности термоядерного синтеза», – говорит д-р Жоэль Майю, один из руководителей научных программ JET. Эти параметры будут включать в себя поиск наилучшей комбинации дейтерия и трития и определение того, как увеличивается ток в магнитах до начала синтеза.

Основа, заложенная в JET, должна ускорить усилия ИТЭР по достижению чистого прироста энергии. ИТЭР произведет «первую плазму» в декабре 2025 года и выйдет на полную мощность в течение следующего десятилетия.Температура его плазмы достигнет 150 000 000 ° C, а его цель – производить 500 мегаватт термоядерной энергии на каждые 50 мегаватт входной тепловой мощности.

«Если ИТЭР будет успешным, он устранит большую часть, если не все, сомнения относительно науки и высвободит деньги для развития технологий», – говорит Люс. Эта технология будет представлять собой демонстрационные термоядерные электростанции, которые фактически производят электричество. «ИТЭР открывает дверь и говорит: да, это работает – наука есть».

Подробнее о возобновляемых источниках энергии:

В концепции компактной термоядерной электростанции

используется новейшая физика для повышения выработки энергии

Автор: У.S. Министерство энергетики 8 ноября 2021 г.

Компактный усовершенствованный токамак (CAT) – потенциально экономичное решение для производства термоядерной энергии, в котором используются преимущества в области моделирования и технологий. Кредит: Изображение любезно предоставлено General Atomics. Графика токамака модифицирована по материалам Ф. Наджмабади и др., Усовершенствованный токамак ARIES-AT, Термоядерная электростанция передовых технологий, Fusion Engineering Design, 80, 3-23 (2006).

Термоядерные электростанции используют магнитные поля для удержания шара с токонесущим газом (называемым плазмой).Это создает миниатюрное солнце, которое генерирует энергию за счет ядерного синтеза. Концепция компактного усовершенствованного токамака (CAT) использует современные физические модели для потенциального улучшения производства термоядерной энергии. Модели показывают, что за счет тщательного формирования плазмы и распределения тока в плазме операторы термоядерной установки могут подавить турбулентные завихрения в плазме. Эти водовороты могут вызвать потерю тепла. Это позволит операторам достичь более высоких давлений и мощности плавления при более низком токе. Этот прогресс может помочь достичь состояния, при котором плазма поддерживает себя и управляет большей частью собственного тока.

В этом подходе к реакторам токамака улучшенная производительность при пониженном токе плазмы снижает напряжение и тепловые нагрузки. Это облегчает некоторые инженерные и материальные проблемы, с которыми сталкиваются проектировщики термоядерных заводов. Более высокое давление также увеличивает эффект, когда движение частиц в плазме естественным образом генерирует необходимый ток. Это значительно снижает потребность в дорогостоящих системах привода тока, которые снижают потенциальную выходную электрическую мощность термоядерной установки. Это также позволяет использовать стационарную конфигурацию «всегда включен».Такой подход приводит к тому, что электростанции испытывают меньшую нагрузку во время работы, чем типичные импульсные подходы к термоядерной энергии, что позволяет использовать меньшие и менее дорогие электростанции.

За последний год Консультативный комитет по наукам о термоядерной энергии Министерства энергетики (DOE) и Национальные академии наук, инженерии и медицины выпустили дорожные карты, призывающие к агрессивному развитию термоядерной энергии в Соединенных Штатах. Исследователи считают, что для достижения этой цели требуется разработка более эффективных и экономичных подходов к созданию термоядерной энергии, чем существующие в настоящее время.Подход, использованный для создания концепции CAT, позволил разработать новое моделирование реактора, в котором используются новейшие знания физики плазмы для повышения производительности. Исследователи объединили новейшую теорию, подтвержденную в Национальном центре термоядерного синтеза DIII-D, с передовыми вычислениями с использованием суперкомпьютера Cori в Национальном научном вычислительном центре энергетических исследований. Эти симуляции определили путь к концепции, обеспечивающей более производительную, в основном самоподдерживающуюся конфигурацию, которая удерживает энергию более эффективно, чем типичные импульсные конфигурации, что позволяет создавать ее с меньшим масштабом и меньшими затратами.

Ссылка: «Усовершенствованный путь токамака к экспериментальной установке компактного электросварного термоядерного синтеза», автор R.J. Баттери, J.M. Park, J.T. МакКленаган, Д. Вайсберг, Дж. Каник, Дж. Феррон, А. Гарофало, К. Холкомб, Дж. Лойер, П. Снайдер и команда проекта Atom, 19 марта 2021 г., Nuclear Fusion .
DOI: 10.1088 / 1741-4326 / abe4af

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики, Управлением науки о термоядерной энергии на базе Национального центра термоядерного синтеза DIII-D, пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики и проекта AToM Scientific Discovery через Advanced Computing.

DOE объясняет … Наука о термоядерной энергии | Министерство энергетики

Наука о термоядерной энергии – это мультидисциплинарная область, сфокусированная на науке, необходимой для разработки источника энергии на основе управляемой реакции термоядерного синтеза. Слияние происходит, когда два ядра объединяются, чтобы сформировать новое ядро. Этот процесс происходит в нашем Солнце и других звездах. Создание условий для термоядерного синтеза на Земле включает в себя создание и поддержание плазмы. Плазма – это настолько горячий газ, что электроны освобождаются от ядер атомов.Исследователи используют электрические и магнитные поля, чтобы контролировать результирующий сбор ионов и электронов, потому что они имеют электрические заряды. При достаточно высоких температурах ионы могут преодолевать отталкивающие электростатические силы и сливаться вместе. Этот процесс – синтез – высвобождает энергию.

Департамент науки Министерства энергетики: вклад в науку о термоядерной энергии

Государственная поддержка исследований и разработок в области термоядерной энергии в США началась в 1950-х годах Комиссией по атомной энергии, предшественницей Министерства энергетики.Поддержка термоядерного синтеза продолжается в Управлении науки Министерства энергетики, которое руководит продолжающимися исследованиями в области научных основ удержания плазмы и других областях, связанных с термоядерной энергией. Программа DOE по термоядерной энергии помогает исследователям координировать многие фундаментальные науки, связанные с термоядерным синтезом, включая физику плазмы, ядерную инженерию и передовые научные вычисления. Ученые могут создавать условия для синтеза с помощью различных методов, в которых используются различные магнитные, электрические и другие методы для формирования плазмы и управления ею.Например, исследовательские установки магнитного удержания в Соединенных Штатах и ​​Соединенном Королевстве помогли исследователям лучше понять, как поддерживать термоядерные реакции и даже генерировать из них энергию. Этот прогресс стал стимулом для международного сотрудничества в эксперименте ITER, целью которого является создание и управление экспериментом с горящей плазмой, основанным на концепции магнитного удержания, называемой токамаком. Вклад США в ИТЭР управляется программой Fusion Energy Sciences (FES) в рамках Министерства науки.После постройки ИТЭР станет крупнейшим в мире международным научно-исследовательским центром.

Fusion Energy Science Quick Facts

  • Fusion предлагает потенциальный долгосрочный источник энергии, который использует обильные запасы топлива и не производит парниковых газов или долгоживущих радиоактивных отходов.
  • Синтез выделяет энергию, потому что масса связанного ядра меньше массы составляющих его протонов и нейтронов; дефицит массы преобразуется в энергию с помощью уравнения Эйнштейна (E = mc 2 ).
  • Пикап, наполненный термоядерным топливом, имеет энергию, эквивалентную 2 миллионам метрических тонн угля или 10 миллионам баррелей нефти.

Ресурсы и связанные с ними термины

Благодарности

Мэтью Ланктот, Управление науки Министерства энергетики США

Научные термины могут сбивать с толку. DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и концепций фундаментальной науки. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики США, поскольку это помогает Соединенным Штатам преуспевать в исследованиях по всему научному спектру.

Ядерный синтез: WNA – Всемирная ядерная ассоциация

(обновлено в августе 2021 г.)

  • Термоядерная энергия открывает перед будущими поколениями практически неисчерпаемый источник энергии, но при этом создает нерешенные технические проблемы.
  • Основная задача состоит в том, чтобы достичь скорости тепла, выделяемой термоядерной плазмой, которая превышает скорость энергии, вводимой в плазму.
  • Основная надежда связана с реакторами токамаков и стеллараторами, которые удерживают дейтериево-тритиевую плазму магнитным способом.

Сегодня многие страны в той или иной степени участвуют в исследованиях термоядерного синтеза, возглавляемые Европейским союзом, США, Россией и Японией, при этом активные программы также реализуются в Китае, Бразилии, Канаде и Корее. Первоначально исследования термоядерного синтеза в США и СССР были связаны с разработкой атомного оружия и оставались засекреченными до конференции «Атом для мира» в Женеве в 1958 году.После прорыва на советском токамаке в 1970-е годы термоядерные исследования стали «большой наукой». Но стоимость и сложность задействованных устройств возросли до такой степени, что международное сотрудничество стало единственным путем вперед.

Термоядерный синтез приводит в действие Солнце и звезды, когда атомы водорода сливаются вместе, образуя гелий, и материя преобразуется в энергию. Водород, нагретый до очень высоких температур, превращается из газа в плазму, в которой отрицательно заряженные электроны отделены от положительно заряженных ядер атомов (ионов).Обычно синтез невозможен, потому что сильно отталкивающие электростатические силы между положительно заряженными ядрами не позволяют им сблизиться достаточно близко друг к другу, чтобы столкнуться и произойти слияние. Однако, если условия таковы, что ядра могут преодолевать электростатические силы до такой степени, что они могут находиться на очень близком расстоянии друг от друга, тогда ядерная сила притяжения (которая связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах) между ядрами перевешивает отталкивающую (электростатическую) силу, позволяя ядрам сливаться вместе.Такие условия могут возникать при повышении температуры, в результате чего ионы перемещаются быстрее и в конечном итоге достигают скорости, достаточно высокой, чтобы сблизить ионы достаточно близко друг к другу. Затем ядра могут сливаться, вызывая высвобождение энергии.

Технология Fusion

На Солнце мощные гравитационные силы создают подходящие условия для термоядерного синтеза, но на Земле их гораздо труднее достичь. Термоядерное топливо – различные изотопы водорода – должно быть нагрето до экстремальных температур порядка 50 миллионов градусов по Цельсию и должно оставаться стабильным при интенсивном давлении, следовательно, достаточно плотным и ограниченным в течение достаточно длительного времени, чтобы ядра могли слиться.Целью программы исследований управляемого термоядерного синтеза является достижение «воспламенения», которое происходит, когда происходит достаточно реакций термоядерного синтеза, чтобы процесс стал самоподдерживающимся, с добавлением свежего топлива для его продолжения. После воспламенения возникает чистый выход энергии – примерно в четыре раза больше, чем при ядерном делении. По данным Массачусетского технологического института (MIT), количество производимой энергии увеличивается пропорционально квадрату давления, поэтому удвоение давления приводит к четырехкратному увеличению производства энергии.

При современных технологиях реакция наиболее вероятна между ядрами двух тяжелых форм (изотопов) водорода – дейтерия (D) и трития (T). Каждое событие синтеза D-T высвобождает 17,6 МэВ (2,8 x 10 -12 джоуль, по сравнению с 200 МэВ для деления U-235 и 3-4 МэВ для синтеза D-D). a По массе реакция синтеза D-T выделяет в четыре раза больше энергии, чем при делении урана. Дейтерий естественным образом встречается в морской воде (30 граммов на кубический метр), что делает его очень распространенным по сравнению с другими энергетическими ресурсами.Тритий в природе встречается только в следовых количествах (образуется космическими лучами) и является радиоактивным с периодом полураспада около 12 лет. Используемые количества могут быть получены в обычном ядерном реакторе или, в данном контексте, получены в термоядерной системе из лития. b Литий содержится в больших количествах (30 частей на миллион) в земной коре и в более слабых концентрациях в море.

В термоядерном реакторе концепция состоит в том, что нейтроны, генерируемые в результате реакции синтеза D-T, будут поглощаться бланкетом, содержащим литий, который окружает активную зону.Затем литий превращается в тритий (который используется в качестве топлива для реактора) и гелий. Бланкет должен быть достаточно толстым (около 1 метра), чтобы замедлять нейтроны высокой энергии (14 МэВ). Кинетическая энергия нейтронов поглощается бланкетом, вызывая его нагрев. Тепловая энергия собирается теплоносителем (вода, гелий или эвтектика Li-Pb), протекающим через бланкет, и на термоядерной электростанции эта энергия будет использоваться для выработки электричества обычными методами. Если производится недостаточное количество трития, необходимо использовать какой-либо дополнительный источник, такой как использование реактора деления для облучения тяжелой воды или лития нейтронами, а посторонний тритий создает трудности при обращении, хранении и транспортировке.

Трудность заключалась в разработке устройства, которое могло бы нагревать топливо D-T до достаточно высокой температуры и удерживать его достаточно долго, чтобы в реакциях синтеза выделялось больше энергии, чем используется для запуска реакции. Хотя в центре внимания находится реакция D-T, в долгосрочной перспективе возлагаются надежды на реакцию D-D, но для этого требуются гораздо более высокие температуры.

В любом случае задача состоит в том, чтобы использовать тепло для нужд человека, в первую очередь для выработки электроэнергии. Плотность энергии реакций синтеза в газе намного меньше, чем для реакций деления в твердом топливе, и, как уже отмечалось, выход тепла на реакцию в 70 раз меньше.Следовательно, термоядерный синтез всегда будет иметь гораздо более низкую плотность мощности, чем ядерное деление, а это означает, что любой термоядерный реактор должен быть больше и, следовательно, более дорогостоящим, чем реактор деления с той же выходной мощностью. Кроме того, в ядерных реакторах деления используется твердое топливо, которое плотнее термоядерной плазмы, поэтому выделяемая энергия более концентрирована. Также энергия нейтронов от термоядерного синтеза выше, чем от деления – 14,1 МэВ вместо примерно 2 МэВ, что создает серьезные проблемы для конструкционных материалов.

В настоящее время изучаются два основных экспериментальных подхода: магнитное удержание и инерционное удержание. Первый метод использует сильные магнитные поля для сдерживания горячей плазмы. Во втором случае небольшая таблетка, содержащая термоядерное топливо, сжимается до чрезвычайно высокой плотности с помощью мощных лазеров или пучков частиц.

Магнитное удержание

При термоядерном синтезе с магнитным удержанием (MCF) сотни кубических метров D-T плазмы с плотностью менее миллиграмма на кубический метр удерживаются магнитным полем при давлении в несколько атмосфер и нагреваются до температуры термоядерного синтеза.

Магнитные поля идеально подходят для удержания плазмы, потому что электрические заряды на разделенных ионах и электронах означают, что они следуют за линиями магнитного поля. Цель состоит в том, чтобы предотвратить соприкосновение частиц со стенками реактора, поскольку это рассеивает их тепло и замедляет их работу. Наиболее эффективная магнитная конфигурация – тороидальная, в форме бублика, в которой магнитное поле изогнуто, образуя замкнутый контур. Для надлежащего ограничения на это тороидальное поле должно быть наложено перпендикулярное поле (полоидальное поле).Результатом является магнитное поле с силовыми линиями, движущимися по спирали (винтовой) траектории, которая ограничивает и контролирует плазму.

Существует несколько типов тороидальных систем удержания, наиболее важными из которых являются токамаки, стеллараторы и пинч-устройства с обращенным полем (RFP).

В токамаке тороидальное поле создается серией катушек, равномерно расположенных вокруг тороидального реактора, а полоидальное поле создается системой горизонтальных катушек вне структуры тороидального магнита.Сильный электрический ток индуцируется в плазме с помощью центрального соленоида, и этот индуцированный ток также вносит вклад в полоидальное поле. В стеллараторе спиральные силовые линии образуются серией катушек, которые сами могут иметь спиральную форму. В отличие от токамаков, стеллараторы не требуют индуцирования тороидального тока в плазме. Устройства RFP имеют те же тороидальные и полоидальные компоненты, что и токамак, но ток, протекающий через плазму, намного сильнее, и направление тороидального поля в плазме меняется на противоположное.

В токамаках и устройствах RFP ток, протекающий через плазму, также служит для ее нагрева до температуры около 10 миллионов градусов Цельсия. Кроме того, необходимы дополнительные системы нагрева для достижения температур, необходимых для плавления. В стеллараторах эти системы отопления должны обеспечивать всю необходимую энергию.

Токамак ( тороидальная камера ее магнитная катушка – тороидальная магнитная камера) был разработан в 1951 году советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом.Токамаки работают в пределах ограниченных параметров, за пределами которых могут возникать внезапные потери удержания энергии (сбои), вызывая большие тепловые и механические напряжения в конструкции и стенах. Тем не менее, эта конструкция считается наиболее перспективной, и по всему миру продолжаются исследования различных токамаков.

Также ведутся исследования по нескольким типам стеллараторов. Лайман Спитцер разработал и начал работу над первым термоядерным устройством – стелларатором – в лаборатории физики плазмы Принстона в 1951 году.Из-за сложности удержания плазмы стеллараторы перестали пользоваться популярностью до тех пор, пока методы компьютерного моделирования не позволили рассчитать точную геометрию. Поскольку стеллараторы не имеют тороидального плазменного тока, стабильность плазмы увеличивается по сравнению с токамаками. Поскольку горящую плазму легче контролировать и контролировать, стеллераторы обладают внутренним потенциалом для стационарной, непрерывной работы. Недостатком является то, что стеллараторы из-за своей более сложной формы проектировать и строить намного сложнее, чем токамаки.

Устройства

RFP отличаются от токамаков главным образом пространственным распределением тороидального магнитного поля, меняющего знак на краю плазмы. Аппарат RFX в Падуе, Италия, используется для изучения физических проблем, возникающих из-за спонтанной реорганизации магнитного поля, которая является неотъемлемой особенностью этой конфигурации.

Инерционное удержание

В термоядерном синтезе с инерционным удержанием, который является новым направлением исследований, лазерные или ионные лучи очень точно фокусируются на поверхности мишени, которая представляет собой таблетку топлива D-T диаметром несколько миллиметров.Это нагревает внешний слой материала, который взрывается наружу, создавая движущийся внутрь фронт сжатия или имплозию, которая сжимает и нагревает внутренние слои материала. Ядро топлива может быть сжато в тысячу раз по сравнению с плотностью жидкости, что приведет к условиям, при которых может произойти синтез. Выделяющаяся при этом энергия будет нагревать окружающее топливо, которое также может подвергнуться плавлению, что приведет к цепной реакции (известной как воспламенение), поскольку реакция распространяется наружу через топливо. Время, необходимое для возникновения этих реакций, ограничено инерцией топлива (отсюда и название), но составляет менее микросекунды.До сих пор в большинстве работ по инерционному удержанию использовались лазеры.

Недавняя работа в Институте лазерной инженерии Университета Осаки в Японии предполагает, что воспламенение может быть достигнуто при более низкой температуре с помощью второго очень интенсивного лазерного импульса, направляемого через золотой конус высотой миллиметра в сжатое топливо и синхронизируемого с пиком сжатия. Этот метод, известный как «быстрое зажигание», означает, что сжатие топлива отделено от образования горячих точек с зажиганием, что делает процесс более практичным.

В Великобритании компания First Light Fusion, базирующаяся недалеко от Оксфорда, исследует энергию инерционного термоядерного синтеза (IFE) с упором на технологию силовых драйверов с использованием подхода асимметричной имплозии. Помимо производства электроэнергии, компания рассматривает приложения для обработки материалов и химического производства.

Национальный центр зажигания США (NIF) – это большое лазерное устройство для исследования термоядерного синтеза с инерционным удержанием в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии. Он фокусирует 192 мощных лазерных луча в небольшую цель за несколько миллиардных долей секунды, обеспечивая более 2 МДж ультрафиолетовой энергии и 500 ТВт пиковой мощности.

Совершенно другая концепция, «Z-пинч» (или «дзета-пинч»), использует сильный электрический ток в плазме для генерации рентгеновских лучей, которые сжимают крошечный топливный цилиндр D-T.

Магнитный синтез с намагниченной мишенью

Термоядерный синтез с намагниченной мишенью (MTF), также называемый магнито-инерционным термоядерным синтезом (MIF), представляет собой импульсный подход к термоядерному синтезу, который сочетает в себе нагрев сжатия при инерционном удержании термоядерного синтеза с магнитным уменьшением теплопереноса и магнитно-усиленным альфа-нагревом термоядерного синтеза с магнитным удержанием. .

В настоящее время проводятся эксперименты с рядом систем MTF, и в них обычно используется магнитное поле для удержания плазмы с нагревом под действием сжатия, обеспечиваемым лазерным, электромагнитным или механическим взрывом лайнера. В результате этого комбинированного подхода требуется более короткое время удержания плазмы, чем для магнитного удержания (от 100 нс до 1 мс, в зависимости от подхода MIF), что снижает потребность в стабилизации плазмы на длительные периоды. И наоборот, сжатие может быть достигнуто в течение более длительного времени, чем это характерно для инерционного удержания, что позволяет достичь сжатия с помощью механических, магнитных, химических или относительно маломощных лазерных драйверов.

В настоящее время разрабатывается несколько подходов к исследованию MTF, включая эксперименты в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, Национальной лаборатории Сандиа, Университете Рочестера и частных компаниях General Fusion и Helion Energy.

Задачи НИОКР для MTF включают в себя вопрос о том, можно ли сформировать подходящую целевую плазму и нагреть ее до условий термоядерного синтеза, избегая при этом загрязнения лайнером, как при магнитном удержании и инерционном удержании. Из-за меньших требований к времени удержания и скорости сжатия, MTF использовалась как более дешевый и более простой подход к исследованию этих проблем, чем традиционные проекты термоядерного синтеза.

Гибридный сплав

Синтез может также сочетаться с делением в так называемом гибридном ядерном синтезе, когда бланкет, окружающий активную зону, является подкритическим реактором деления. Реакция синтеза действует как источник нейтронов для окружающего бланкета, где эти нейтроны захватываются, что приводит к реакции деления. Эти реакции деления также будут производить больше нейтронов, тем самым способствуя дальнейшим реакциям деления в бланкете.

Концепцию гибридного синтеза можно сравнить с системой, управляемой ускорителем (ADS), где ускоритель является источником нейтронов для сборки бланкета, а не реакциями ядерного синтеза (см. Страницу, посвященную ядерной энергии, управляемой ускорителем).Таким образом, бланкет гибридной термоядерной системы может содержать то же топливо, что и ADS – например, в качестве топлива можно использовать обильный элемент торий или долгоживущие тяжелые изотопы, присутствующие в отработанном ядерном топливе (из обычного реактора).

Бланкет, содержащий топливо деления в гибридной термоядерной системе, не потребует разработки новых материалов, способных выдерживать постоянную бомбардировку нейтронами, тогда как такие материалы потребуются в бланкете «традиционной» термоядерной системы.Еще одним преимуществом гибридной системы является то, что термоядерной части не потребуется производить столько нейтронов, сколько (негибридный) термоядерный реактор, чтобы генерировать больше энергии, чем потребляется, поэтому термоядерный реактор промышленного масштаба в гибридной Система не обязательно должна быть такой же большой, как термоядерный реактор.

Исследования Fusion

Давняя шутка о термоядерном синтезе указывает на то, что с 1970-х годов до коммерческого внедрения термоядерной энергии всегда оставалось около 40 лет. Хотя в этом есть доля правды, было сделано много прорывов, особенно в последние годы, и в стадии разработки находится ряд крупных проектов, которые могут довести исследования до точки, в которой термоядерная энергия может быть коммерциализирована.

Было построено несколько токамаков , включая Joint European Torus (JET) и сферический токамак Mega Amp (MAST) в Великобритании, а также термоядерный реактор для испытаний токамаков (TFTR) в Принстоне в США. Проект ИТЭР (Международный термоядерный экспериментальный реактор), который в настоящее время строится в Кадараше, Франция, станет крупнейшим токамаком, когда он заработает в 2020-х годах. Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза (CFETR) – это токамак, который, как сообщается, больше, чем ИТЭР, и должен быть завершен в 2030 году.Тем временем он запускает свой экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST). В Великобритании Tokamak Energy ввела в эксплуатацию и продолжает развивать свой токамак ST40.

Много исследований было проведено также на стеллараторах . Большое из них, Большое спиральное устройство в Национальном институте термоядерных исследований Японии, было введено в эксплуатацию в 1998 году. Оно используется для изучения наилучшей магнитной конфигурации для удержания плазмы. На территории Гархинга Института физики плазмы им. Макса Планка в Германии исследования, проводившиеся на Wendelstein 7-AS в период с 1988 по 2002 год, продолжаются на Wendelstein 7-X, которая строилась в течение 19 лет на площадке Института Макса Планка в Грайфсвальде. и пущена в конце 2015 года.Другой стелларатор, TJII, работает в Мадриде, Испания. В США в Принстонской лаборатории физики плазмы, где в 1951 году были построены первые стеллараторы, строительство стеллератора NCSX было прекращено в 2008 году из-за перерасхода средств и отсутствия финансирования. 2 .

Также были достигнуты значительные успехи в исследованиях инерционной энергии термоядерного синтеза (IFE). Строительство Национального центра зажигания (NIF) стоимостью 7 миллиардов долларов в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL), финансируемого Национальным управлением ядерной безопасности, было завершено в марте 2009 года.Лазерный мегаджоуль (LMJ) во французском регионе Бордо начал работу в октябре 2014 года. Оба они предназначены для доставки за несколько миллиардных долей секунды почти двух миллионов джоулей световой энергии к целям размером в несколько миллиметров. Основная цель как NIF, так и LMJ – это исследования в поддержку соответствующих программ ядерных вооружений обеих стран.

ИТЭР

В 1985 году Советский Союз предложил построить токамак следующего поколения совместно с Европой, Японией и США. Сотрудничество было налажено под эгидой Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ).Между 1988 и 1990 годами были разработаны первые проекты Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР, что также означает «путь» или «путешествие» на латыни) с целью доказать, что термоядерный синтез может производить полезную энергию. В 1992 году четыре стороны договорились о дальнейшем сотрудничестве в области инженерного проектирования ИТЭР. Канада и Казахстан также участвуют через Евратом и Россию соответственно.

Шесть лет спустя Совет ИТЭР одобрил первый комплексный проект термоядерного реактора, основанный на хорошо известных физике и технологиях, с ценой в 6 миллиардов долларов.Затем США решили выйти из проекта, вынудив сократить расходы на 50% и провести редизайн. Результатом стал усовершенствованный токомак ITER Fusion Energy (ITER-FEAT) – первоначально предполагалось, что он будет стоить 3 миллиарда долларов, но все же достигнет целевых показателей самоподдерживающейся реакции и чистого прироста энергии. Предполагаемого прироста энергии вряд ли будет достаточно для электростанции, но он должен продемонстрировать осуществимость.

В 2003 году США вновь присоединились к проекту, и Китай также объявил о своем присоединении. После зашедшего в тупик обсуждения в середине 2005 г. шесть партнеров согласились разместить ИТЭР в Кадараше на юге Франции.Сделка предполагала крупные уступки Японии, которая выдвинула Роккашо в качестве предпочтительного участка. Европейский союз (ЕС) и Франция внесут половину общей стоимости проекта в 12,8 млрд евро, а другие партнеры – Япония, Китай, Южная Корея, США и Россия – внесут по 10% каждый. Япония предоставит много высокотехнологичных компонентов, разместит установку для испытаний материалов стоимостью 1 миллиард евро – Международный центр по облучению термоядерных материалов (IFMIF) – и получит право разместить последующий демонстрационный термоядерный реактор.Индия стала седьмым членом консорциума ИТЭР в конце 2005 года. В ноябре 2006 года семь членов – Китай, Индия, Япония, Россия, Южная Корея, США и Европейский Союз – подписали соглашение о реализации ИТЭР. Общая стоимость ИТЭР мощностью 500 МВт составляет примерно половину за десятилетнее строительство и половину за 20 лет эксплуатации.

Работы по подготовке площадки в Кадараше начались в январе 2007 года. Первый бетон для зданий был заложен в декабре 2013 года. Эксперименты должны были начаться в 2018 году, когда будет использоваться водород, чтобы избежать активации магнитов, но теперь это ожидается в 2025 году.Первая плазма D-T ожидается не раньше 2035 года. ИТЭР велик, потому что время удержания увеличивается с размером куба машины. Вакуумный сосуд будет иметь диаметр 19 м, высоту 11 м и вес более 5000 тонн.

Целью ИТЭР является работа с тепловой мощностью плазмы 500 МВт (в течение не менее 400 секунд непрерывно) при потребляемой мощности нагрева плазмы менее 50 МВт. Электроэнергия на ИТЭР производиться не будет.

Ассоциированным предприятием CEA в Кадараше является WEST, ранее называвшееся Tore Supra, которое предназначено для тестирования компонентов прототипа и ускорения их разработки для ИТЭР.Основное внимание в нем уделяется структуре дивертора для удаления гелия, проверке долговечности используемых вольфрамовых материалов.

Ожидается, что демонстрационная электростанция мощностью 2 ГВт, известная как Demo, будет демонстрировать крупномасштабное производство электроэнергии на постоянной основе. Предполагалось, что концептуальный проект Demo будет завершен к 2017 году, строительство начнется примерно в 2024 году, а первая фаза эксплуатации начнется с 2033 года. С тех пор проект был отложен, а строительство запланировано на период после 2040 года.

JET

В 1978 году Европейское сообщество (Евратом, Швеция и Швейцария) запустило в Великобритании проект Joint European Torus (JET). JET – крупнейший токамак, действующий сегодня в мире. Аналогичный токамак, JT-60, работает в Naka Fusion Institute Японского агентства по атомной энергии в Японии, но только JET имеет возможности использовать топливо D-T.

После судебного спора с Евратомом в декабре 1999 года международный контракт JET закончился, и Управление по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA) взяло на себя управление JET от имени своих европейских партнеров.С этого времени экспериментальная программа JET координируется сторонами Европейского соглашения о развитии термоядерного синтеза (EFDA). c JET эксплуатируется Центром исследований термоядерного синтеза в Калхэме UKAEA, членом консорциума EUROfusion.

JET произвел свою первую плазму в 1983 году и стал первым экспериментом по производству контролируемой термоядерной энергии в ноябре 1991 года, хотя и с большим потреблением электроэнергии. С помощью этого устройства в плазме D-T было достигнуто до 16 МВт мощности термоядерного синтеза в течение одной секунды и поддерживаемая мощность 5 МВт, от 24 МВт мощности, вводимой в его систему нагрева, и проводится множество экспериментов для изучения различных схем нагрева и других методов.Компания JET очень успешно применила методы удаленного обращения в радиоактивной среде для модификации внутренней части устройства и показала, что дистанционное обслуживание термоядерных устройств является реалистичным.

JET – ключевое устройство в подготовке к ИТЭР. В последние годы он был значительно модернизирован для тестирования физических и технических систем плазмы ИТЭР. В JET планируются дальнейшие усовершенствования с целью превышения рекордной мощности термоядерного синтеза в будущих экспериментах D-T. Компактное устройство – сферический токамак Mega Amp (MAST) – было разработано вместе с JET в Калхэме, частично для обслуживания проекта ИТЭР, и в настоящее время осуществляется поэтапно масштабный проект модернизации MAST, чтобы увеличить мощность нейтрального луча с 5 до 12.5 МВт и энергия, вкладываемая в плазму от 2,5 до 30 МДж. MAST Upgrade направлен на разработку системы выпуска плазмы или дивертора, способной выдерживать интенсивные силовые нагрузки, создаваемые термоядерными реакторами промышленного размера. Он получил первую плазму в октябре 2020 года.

В 2019 году правительство Великобритании выделило 22 миллиона фунтов стерлингов в течение четырех лет на концептуальный дизайн сферического токамака для производства энергии (STEP) в Калхэме. Технические цели STEP: обеспечить прогнозируемую чистую электрическую мощность более 100 МВт; использовать термоядерную энергию помимо производства электроэнергии; обеспечить самообеспеченность тритием; квалифицировать материалы и компоненты в соответствующих условиях термоядерного синтеза нейтронного потока; и разработать реальный путь к доступным затратам в течение всего жизненного цикла.СТЭП планируется завершить в 2040 году.

Токамак Энергия

Tokamak Energy в Великобритании – частная компания, разрабатывающая сферический токамак, и надеется коммерциализировать его к 2030 году. Компания выросла из лаборатории Калхэма, где находится JET, и ее технология основана на высокотемпературных сверхпроводящих магнитах, которые позволяют для относительно маломощных и малогабаритных устройств, но с высокой производительностью и потенциально широко распространенным коммерческим развертыванием. Его первый токамак с исключительно ВТСП магнитами – ST25 HTS, второй реактор Tokamak Energy – продемонстрировал непрерывную плазму в течение 29 часов во время летней научной выставки Королевского общества в Лондоне в 2015 году, что стало мировым рекордом.

Следующим реактором является ST40 в Милтон-парке в Оксфордшире, на котором в апреле 2017 года была получена первая плазма. После ввода в эксплуатацию дополнительных магнитных катушек температура плазмы составила 15 миллионов градусов Цельсия в 2018 и 2019 годах. Главный исполнительный директор Tokamak Energy Дэвид Кингхэм сказал: «ST40 разработан для достижения температуры 100 миллионов градусов Цельсия и десятикратного снижения энергетической безубыточности». Компания работает с Принстонской лабораторией физики плазмы над сферическими токамаками и с Центром науки о плазме и термоядерном синтезе Массачусетского технологического института над ВТСП магнитами.В июле 2020 года министерство бизнеса, энергетики и промышленной стратегии Великобритании (BEIS) выделило ему 10 миллионов фунтов стерлингов в рамках правительственного проекта усовершенствованного модульного реактора. Эти средства пойдут на основные разработки в области высокотемпературных сверхпроводящих магнитов (ВТСП) и технологий системы вытяжки плазмы (дивертора). Дивертор должен выдерживать высокие уровни тепла и бомбардировки частицами при удалении примесей и отходов из системы. Он нацелен на создание прототипа для подачи электроэнергии в сеть к 2030 году.

KSTAR

KSTAR (корейский сверхпроводящий токамак-реактор) в Национальном исследовательском институте термоядерного синтеза (NFRI) в Тэджоне произвел свою первую плазму в середине 2008 года. Это пилотная установка для ИТЭР, которая предполагает активное международное сотрудничество. Он будет спутником ИТЭР на этапе эксплуатации ИТЭР с начала 2020-х годов. Токамак с большим радиусом 1,8 метра является первым, в котором используются сверхпроводящие магниты из Nb3Sn, тот же материал, который будет использоваться в проекте ИТЭР. Первым этапом его развития до 2012 года было подтверждение базовых технологий эксплуатации и получение импульсов плазмы длительностью до 20 секунд.На втором этапе разработки (2013–2017 годы) KSTAR был модернизирован для изучения длинных импульсов продолжительностью до 300 секунд в режиме H (цель 100 секунд была в 2015 году) и перехода в высокопроизводительный режим AT. В конце 2016 года он достиг 70 секунд в режиме высокопроизводительной плазменной резки, что является мировым рекордом. Кроме того, исследователям KSTAR также удалось создать альтернативный усовершенствованный режим работы плазмы с внутренним транспортным барьером (ITB). Это резкий градиент давления в ядре плазмы из-за усиленного удержания плазмы в ядре.В NFRI заявили, что это первая операция ITB, выполненная в сверхпроводящем устройстве при минимальной мощности нагрева. KSTAR Phase 3 (2018-2023) направлен на разработку высокопроизводительных, высокоэффективных технологий режима AT с длительными импульсами. На этапе 4 (2023–2025 гг.) Будут протестированы известные технологии, связанные с ДЕМО. Устройство не может работать с тритием, поэтому не будет использовать топливо D-T.

Токамак K-DEMO

В сотрудничестве с Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США в Нью-Джерси и Южнокорейским Национальным исследовательским институтом термоядерного синтеза (NFRI) K-DEMO призван стать следующим шагом на пути к коммерческим реакторам ИТЭР и станет первым завод, который фактически вносит электроэнергию в электрическую сеть.Согласно PPPL, он будет генерировать «около 1 миллиарда ватт энергии в течение нескольких недель подряд», что намного больше, чем цель ИТЭР по выработке 500 миллионов ватт в течение 500 секунд к концу 2020-х годов. Ожидается, что K-DEMO будет иметь токамак большого радиуса диаметром 6,65 м и модуль тестового бланкета в рамках НИОКР по разведению DEMO. Министерство образования, науки и технологий планирует инвестировать в проект около 1 триллиона вон (941 миллион долларов США). Около 300 миллиардов вон из этих расходов уже профинансированы.Правительство ожидает, что на первом этапе проекта будет задействовано около 2400 человек, который продлится в течение 2016 года. Ожидается, что у K-DEMO будет начальный этап эксплуатации примерно с 2037 по 2050 год для разработки компонентов для второго этапа, который будет производить электроэнергию.

ВОСТОК

В Китае экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) Института физических наук Хэфэй Китайской академии наук произвел водородную плазму при температуре 50 миллионов градусов Цельсия и удерживал ее в течение 102 секунд в 2017 году.В ноябре 2018 года она достигла отметки 100 миллионов градусов Цельсия за 10 секунд, потребляя 10 МВт электроэнергии. В июле 2020 года EAST достигла полностью неиндуктивной, управляемой током, установившейся плазмы в течение более 100 секунд, что было заявлено как прорыв со значительными последствиями для будущего Китайского испытательного реактора Fusion Engineering (CFETR). В мае 2021 года он установил новый мировой рекорд по достижению температуры плазмы 120 миллионов градусов Цельсия за 101 секунду. Эксперимент также показал температуру плазмы 160 миллионов градусов по Цельсию, продолжительностью 20 секунд.

TFTR

В США с 1982 по 1997 год в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) работал реактор Tokamak Fusion Test Reactor. DT. В следующем году TFTR произвел 10,7 МВт управляемой термоядерной мощности – рекорд по тем временам. TFTR установил и другие рекорды, в том числе достижение температуры плазмы 510 миллионов градусов по Цельсию в 1995 году.Однако он не достиг своей цели по безубыточной энергии термоядерного синтеза (где потребляемая энергия не превышает количество произведенной энергии термоядерного синтеза), но достиг всех своих целей проектирования аппаратного обеспечения, тем самым внося существенный вклад в развитие ИТЭР. .

АЛКАТОР

В Массачусетском технологическом институте (MIT) с 1970-х годов серия небольших торовых реакторов с сильным магнитным полем ALCATOR (Alto Campus Torus) работает по принципу достижения высокого давления плазмы как пути к длительному удержанию плазмы.Утверждается, что Alcator C-Mod обладает самым высоким магнитным полем и самым высоким давлением плазмы среди всех термоядерных реакторов и является крупнейшим университетским термоядерным реактором в мире. Работал с 1993 по 2016 год. В сентябре 2016 года он достиг давления плазмы 2,05 атмосферы при температуре 35 миллионов градусов по Цельсию. Плазма производила 300 триллионов термоядерных реакций в секунду и имела центральную напряженность магнитного поля 5,7 тесла. Он пропускал 1,4 миллиона ампер электрического тока и обогревался мощностью более 4 МВт.Реакция протекала в объеме примерно 1 кубический метр, а плазма длилась две секунды. После достижения рекордных показателей для термоядерного реактора государственное финансирование прекратилось.

Увеличенный вариант, который планируется построить в подмосковном Триоцке в сотрудничестве с Курчатовским институтом, – «Игнитор» с тором диаметром 1,3 м.

Большое спиральное устройство – стелларатор

Большое спиральное устройство (LHD) Японского национального института термоядерных исследований в Токи, префектура Гифу, было крупнейшим в мире стелларатором.LHD произвел свою первую плазму в 1998 году и продемонстрировал свойства удержания плазмы, сравнимые с другими крупными термоядерными устройствами. Он достиг ионной температуры 13,5 кэВ (около 160 миллионов градусов) и накопленной энергии плазмы 1,44 миллиона джоулей (МДж).

Стелларатор Wendelstein 7-X

После года испытаний это началось в конце 2015 года, и гелиевая плазма ненадолго достигла отметки около одного миллиона градусов по Цельсию. В 2016 году он перешел на использование водорода и, используя 2 МВт, достиг температуры плазмы 80 миллионов градусов по Цельсию за четверть секунды.W7-X является крупнейшим в мире стелларатором, и планируется, что он будет работать непрерывно до 30 минут. Это стоило 1 миллиард евро (1,1 миллиарда долларов).
Несколько хороших диаграмм есть в статье Business Insider Australia о Wendelstein 7-X.

Стелларатор Гелиак-1

В Австралийском исследовательском центре плазменного синтеза при Австралийском национальном университете стелларатор H-1 проработал несколько лет, а в 2014 году был значительно модернизирован. H-1 имеет доступ к широкому спектру конфигураций плазмы и позволяет исследовать идеи для улучшения магнитной конструкции термоядерных электростанций, которые последуют за ИТЭР.

National Ignition Facility – лазер

Самая мощная в мире установка для лазерного синтеза, Национальная установка зажигания (NIF) стоимостью 4 миллиарда долларов в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), была завершена в марте 2009 года. Используя свои 192 лазерных луча, NIF может производить более чем в 60 раз больше энергии. любой предыдущей лазерной системы к своей цели e . В июле 2012 года LLNL объявила, что в «историческом рекордном лазерном выстреле лазерная система NIF из 192 лучей обеспечила более 500 ТВт пиковой мощности и 1 луч.85 мегаджоулей (МДж) ультрафиолетового лазерного излучения на цель (диаметром 2 мм) «за несколько триллионных долей секунды. В сентябре 2013 года впервые количество энергии, высвобождаемой в результате реакции синтеза (14 кДж), превысило количество энергии поглощается топливом, но не количеством, поставляемым гигантскими лазерами (1,8 МДж). В августе 2021 года LLNL заявила, что достигла мощности 1,3 МДж, что намного лучше, чем ее предыдущий рекорд в 55 кДж в 2018 году. был «историческим шагом вперед для инерционного удержания», поставив его на порог термоядерного воспламенения.«

Более ранний мощный лазер в LLNL, Nova, был построен в 1984 году с целью обеспечения зажигания. Nova не смогла этого сделать и была закрыта в 1999 году, но предоставила важные данные, которые привели к созданию NIF. Nova также собрала значительные объемы данных по физике материи высокой плотности, которые полезны как для исследований в области термоядерной энергии, так и для исследования ядерного оружия.

В связи с NIF, LLNL разрабатывает лазерный инерционный термоядерный двигатель (LIFE), гибридную термоядерную систему, в которой нейтроны, возникающие в результате лазерного термоядерного синтеза, будут приводить в движение субкритический бланкет ядерного деления для выработки электроэнергии.Бланкет будет содержать либо обедненный уран; отработанное ядерное топливо; природный уран или торий; или плутоний-239, второстепенные актиниды и продукты деления из переработанного отработанного ядерного топлива 4 .

Лазер Mégajoule

Тем временем Французская комиссия по атомной энергии (Commissariat à l’énergie atomique, CEA) с 2014 года эксплуатирует лазер аналогичного размера – Laser Mégajoule (LMJ) – недалеко от Бордо. несколько миллиардных долей секунды, сконцентрированные на небольшой мишени из дейтерия и трития.Опытный образец лазера, Ligne d’Integration Laser (LIL), был введен в эксплуатацию в 2003 году.

SG-II

Китайская национальная лаборатория мощных лазеров и физики, связанная с Китайской академией наук, проводит эксперимент по инерционному удержанию лазера в Шанхае – восьмилучевую лазерную установку Shenguang-II (SG-II), аналогичную Национальной установке зажигания. в США и Laser Mégajoule во Франции. Это единственная в Китае мощная лазерная установка на неодимовом стекле с активным зондирующим светом.В 2005 году был добавлен девятый луч, что расширило возможности для исследований в области термоядерного синтеза. Объект SG-II является международной демонстрационной базой Китая в области мощных лазерных технологий.

Лазеры PETAL и HiPER

Лазерная установка Petawatt Aquitaine Laser (PETAL) – это высокоэнергетический многопетаваттный лазер (энергия 3,5 кДж с продолжительностью от 0,5 до 5 пс), строящийся недалеко от Бордо, на том же месте, что и LIL. PETAL будет совместно с LIL, чтобы продемонстрировать физику и лазерную технологию быстрого зажигания.Первые эксперименты ожидаются в 2012 году.

Центр исследования энергии лазеров высокой мощности (HiPER) разрабатывается с целью развития исследований, запланированных в рамках проекта PETAL. HiPER будет использовать лазер с длинными импульсами (в настоящее время оценивается в 200 кДж) в сочетании с лазером с короткими импульсами 70 кДж. Трехлетний подготовительный этап, начавшийся в 2008 году, предусматривает прямое финансирование или обязательства в натуральной форме на сумму около 70 миллионов евро от нескольких стран. Планируется, что этап детального проектирования начнется в 2011 году, а шестилетний этап строительства, возможно, начнется к 2014 году.

Z машина

Аппарат Z, которым управляет Sandia National Laboratories, является крупнейшим рентгеновским генератором в мире. Как и NIF, объект был построен в рамках национальной программы управления запасами, которая направлена ​​на поддержание запасов ядерного оружия без необходимости проведения полномасштабных испытаний.

Условия для плавления достигаются путем прохождения мощного электрического импульса f (продолжительностью менее 100 наносекунд) через набор тонких вольфрамовых проволок внутри металлического хохльраума г .Проволока превращается в плазму и испытывает сжатие («Z-пинч»), заставляя испарившиеся частицы сталкиваться друг с другом, создавая интенсивное рентгеновское излучение. Крошечный цилиндр, содержащий термоядерное топливо, помещенный внутри хольраума, поэтому будет сжат рентгеновскими лучами, что позволит осуществить термоядерный синтез.

В 2006 году машина Z достигла температуры более 2 миллиардов градусов, 6 значительно выше, чем требуется для термоядерного синтеза, и теоретически достаточно высокой, чтобы обеспечить ядерный синтез водорода с более тяжелыми элементами, такими как литий или бор.

Другие термоядерные проекты

Многие другие проекты термоядерного синтеза находятся на различных стадиях разработки.

Локхид CFR . Lockheed Martin на своих так называемых «скунсовых заводах» разрабатывает компактный термоядерный реактор (CFR), который использует обычную плазму D-T в вакуумированной защитной оболочке, но ограничивает ее по-другому. Вместо ограничения плазмы внутри трубчатых колец серия сверхпроводящих катушек будет генерировать новую геометрию магнитного поля, в которой плазма удерживается в более широких пределах всей реакционной камеры.Энергия поступает за счет радиочастотного нагрева. Сверхпроводящие магниты внутри катушек будут создавать магнитное поле вокруг внешней границы камеры. Цель состоит в том, чтобы давление плазмы было таким же большим, как и давление удержания при достаточно высокой температуре для воспламенения и получения полезной энергии. Теплообменники в стенке реактора будут передавать энергию газовой турбине. Он перешел к эксперименту по магнитному удержанию ионов, но ему предстоит пройти некоторый путь до любого прототипа, который, как они утверждают, будет намного меньше, чем традиционные конструкции, такие как токамак ИТЭР.

Национальное агентство Италии по новым технологиям, энергетике и устойчивому экономическому развитию (ENEA) разрабатывает небольшой реактор-токамак под названием Ignitor . В соответствии с итальянско-российским соглашением, подписанным в мае 2010 года, реактор будет собран в Италии и установлен в Троицком институте инноваций и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) под Москвой при Курчатовском институте 7 .

Альтернативой использованию мощных лазеров для термоядерного синтеза с инерционным удержанием является « синтез тяжелых ионов », в котором высокоэнергетические частицы из ускорителя фокусируются с помощью магнитных полей на термоядерную мишень.Ускоритель NDCX-II (Neutralized Drift Compression Experiment II) используется для экспериментов по синтезу тяжелых ионов с 2012 года в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Его расширяют для доставки коротких интенсивных импульсов ионных пучков с кинетической энергией 1,2 МэВ. Эксперименты по физике высоких плотностей энергии (HEDP) с лабораторной плазмой – растущая часть физики инерционной термоядерной энергии (IFE).

LPP Fusion (Lawrenceville Plasma Physics) – американское предприятие, разрабатывающее анейтронный синтез с использованием устройства фокусировки плотной плазмы (DPF или focus fusion ) и водородно-борного топлива.Водород и бор (B-11) в виде плазмы сливаются при высокой температуре, образуя импульсный пучок ядер гелия без испускания нейтронов. (Бор и водород объединяются, образуя кратковременный промежуточный атом углерода-12, который быстро распадается на три альфа-частицы.) Этот заряженный пучок ионов высокой энергии генерирует электричество, проходя через ряд катушек, похожих на трансформатор, с эффективностью 80%. . Баланс энергии – это побочные рентгеновские лучи, которые улавливаются множеством фотоэлектрических рецепторов.LPP Fusion достиг энергии электронов 400 кэВ.

Другое направление исследований термоядерного синтеза с использованием лазеров также включает синтез водорода и бора-11 для образования ядер гелия, которые продолжают цепную реакцию бора. Один лазер генерирует мощное магнитное ограничивающее поле в катушке, чтобы задержать реакцию синтеза на небольшой площади в течение наносекунды, в то время как второй, более мощный лазер, запускает процесс ядерного синтеза. Первые испытания термоядерного синтеза H- 11 B в пражской лазерной системе Asterix с использованием высокоэнергетических йодных лазеров генерировали больше энергии, чем необходимо для запуска процесса термоядерного синтеза.

HB11 Energy в Австралии разрабатывает это и стремится использовать нетепловую лазерную технологию для сплавления водорода и бора-11. Наносекундный лазерный импульс запускает реакцию синтеза H-B, затем второй лазер и емкостная катушка создают магнитное поле в килотесла, чтобы увеличить выход реакции. Этот шаг сейчас находится в центре внимания исследований. Выход дополнительно увеличивается за счет цепной реакции для создания ядер гелия, которые захватываются заряженной сферой диаметром не менее двух метров для непосредственного производства электричества, без какого-либо парового контура.Альфа-частицы с энергией 2,9 МэВ представляют до 300 кВтч энергии на 15 мг топлива H- 11 B. Новый проект заключается в разработке топливных материалов путем синтеза боридов водорода, обогащенных бором-11, и нанолистов из нитрида бора, адсорбированных водородом. Они будут испытаны на лазерных установках за границей.

Устройство Polywell («многогранник» в сочетании с «потенциальной ямой») состоит из магнитных катушек, расположенных в многогранной конфигурации с шести сторон, образующих куб. Облако электронов ограничено в середине устройства, чтобы иметь возможность ускорять и удерживать положительные ионы, подлежащие слиянию.Эта концепция электростатического удержания отличается от традиционного магнитного удержания, поскольку поля не должны удерживать ионы – только электроны. EMC2 Fusion Development Corporation изучает концепцию Polywell и рассматривает водород и бор в качестве топлива для анейтронного синтеза. Это последовало за несколькими годами разработки ВМС США с использованием дейтериевого топлива.

General Fusion – одна из нескольких частных попыток разработать коммерческую термоядерную электростанцию. Подход компании для синтеза намагниченной мишени (MTF) генерирует компактную тороидную плазму в инжекторе, содержащую и сжимающую ее с помощью магнитного поля перед инжекцией в камеру сферического сжатия.В камере находится жидкий свинцово-литиевый лайнер, который накачивается для создания вихря, в который впрыскивается плазменная мишень. Синхронизированная группа поршней, срабатывающих одновременно, создает сферическую волну сжатия в жидком металле, сжимая плазменную мишень и нагревая ее до состояния термоядерного синтеза. Основанная в Канаде в 2002 году, General Fusion финансируется синдикатом частных инвесторов, компаний венчурного капитала в области энергетики, государственных инвестиционных фондов и канадского государственного фонда Sustainable Development Technology Canada (SDTC).О дополнительном государственном гранте было объявлено в октябре 2018 года из Стратегического инновационного фонда. Компания продемонстрировала вехи, включая создание намагниченной плазмы сферомака на 200–300 эВ и удержание их на срок более 500 мкс.

Большая часть текущей работы над МОГ основана на программах Курчатовского института атомной энергии под руководством Е.П. Велихова, примерно в 1970 году. Это вдохновило проект LINUS в Военно-морской исследовательской лаборатории в США, а затем проект быстрого лайнера в США. Лос-Аламос.

General Atomics эксплуатирует токамак DIII-D в Сан-Диего для Министерства энергетики США с конца 1980-х годов. Он направлен на создание научной основы для оптимизации подхода токамаков к производству термоядерной энергии.

Холодный синтез

В марте 1989 года были сделаны впечатляющие заявления о другом подходе, когда два исследователя из США (Стэнли Понс) и Великобритании (Мартин Флейшманн) заявили, что достигли синтеза в простом настольном аппарате, работающем при комнатной температуре.«N-Fusion», или «холодный синтез», включает электролиз тяжелой воды с использованием палладиевых электродов, на которых ядра дейтерия, как говорят, концентрируются с очень высокой плотностью. Исследователи утверждали, что выделяется тепло, которое можно объяснить только ядерными процессами, а также побочные продукты синтеза, включая гелий, тритий и нейтроны. Однако другим экспериментаторам не удалось воспроизвести это, и большая часть научного сообщества больше не считает это реальным явлением.

Ядерные реакции низких энергий (LENR)

Инициированные заявлением о «холодном синтезе», исследования на уровне нанотехнологий продолжаются по низкоэнергетическим ядерным реакциям (LENR), которые, по-видимому, используют слабые ядерные взаимодействия (а не сильные взаимодействия, как в ядерном делении или синтезе) для создания низкоэнергетических нейтронов. с последующими процессами захвата нейтронов, приводящими к изотопному изменению или трансмутации, без испускания сильного мгновенного излучения.Эксперименты LENR включают проникновение водорода или дейтерия через каталитический слой и реакцию с металлом. Исследователи сообщают, что выделяемая энергия, хотя и на любой воспроизводимой основе, очень немногим больше, чем вводится. Основным практическим примером является порошок водорода и никеля, который, очевидно, дает больше тепла, чем можно объяснить с помощью каких-либо химических оснований.

Правительство Японии спонсирует исследования LENR – в частности, проект водородной энергетики из нанометаллов (MHE) – через свою Организацию по развитию новой энергии и промышленных технологий (NEDO), и Mitsubishi также принимает активное участие в исследованиях.В течение 2015–2019 годов Google профинансировал 30 исследователей в трех проектах и ​​не нашел доказательств того, что LENR возможен, но они добились определенных успехов в методах измерения и материаловедения. Были некоторые признаки того, что два проекта, связанных с палладием, заслуживают дальнейшего изучения.

Оценка мощности термоядерного синтеза

Использование термоядерных электростанций могло бы существенно снизить воздействие на окружающую среду растущего мирового спроса на электроэнергию, поскольку, как и ядерная энергия деления, они не будут способствовать кислотным дождям или парниковому эффекту.Термоядерная энергия может легко удовлетворить потребности в энергии, связанные с продолжающимся экономическим ростом, с учетом доступности топлива. Не существует опасности реакции неконтролируемого термоядерного синтеза, поскольку это невозможно по сути, и любая неисправность приведет к быстрому останову установки.

Однако, хотя термоядерный синтез не приводит к образованию долгоживущих радиоактивных продуктов, а несгоревшие газы можно обрабатывать на месте, возникнет краткосрочная и среднесрочная проблема с радиоактивными отходами из-за активации конструкционных материалов.Некоторые материалы компонентов станут радиоактивными в течение срока службы реактора из-за бомбардировки нейтронами высокой энергии и в конечном итоге станут радиоактивными отходами. Объем таких отходов был бы аналогичен соответствующему объему от реакторов деления. Однако долговременная радиотоксичность отходов термоядерного синтеза будет значительно ниже, чем токсичность актинидов в отработанном топливе ядерного деления, и с отходами продуктов активации следует обращаться во многом так же, как и с отходами реакторов деления, проработавших несколько лет. 8 .

Есть и другие опасения, в основном связанные с возможным выбросом трития в окружающую среду. Он радиоактивен, и его очень трудно удержать, поскольку он может проникать в бетон, резину и некоторые марки стали. Как изотоп водорода, он легко включается в воду, что делает воду слаборадиоактивной. Имея период полураспада около 12,3 года, присутствие трития остается угрозой для здоровья в течение примерно 125 лет после его образования в виде газа или воды, если оно присутствует в больших количествах.Его можно вдыхать, всасывать через кожу или проглатывать. Вдыхаемый тритий распространяется по мягким тканям, и содержащая тритий вода быстро смешивается со всей водой в организме. Несмотря на то, что в термоядерном реакторе имеется лишь небольшой запас трития – несколько граммов, каждый из них, вероятно, может высвободить значительные количества трития во время работы из-за обычных утечек, если предположить, что это лучшие системы удержания. Авария может выпустить еще больше. Это одна из причин, по которой в долгосрочной перспективе возлагаются большие надежды на процесс синтеза дейтерия и дейтерия без использования трития.

Хотя очевидно, что термоядерная энергия может многое предложить, когда технология в конечном итоге будет разработана, проблемы, связанные с ней, также необходимо решить, чтобы она стала широко используемым источником энергии в будущем.


Заметки и ссылки

Банкноты

а. Ядро дейтерия (D) состоит из одного протона и одного нейтрона, тогда как у водорода только один протон. Тритий (Т) имеет один протон и два нейтрона. Когда ядра D и T сливаются, образуется гелий-4 (два протона и два нейтрона) вместе со свободным нейтроном.17,6 МэВ энергии, выделяющейся в реакции синтеза, принимает форму кинетической энергии, гелий имеет 3,5 МэВ, а нейтрон – 14,1 МэВ. Продукты реакции плавления имеют общую массу, которая немного ниже, чем у исходных материалов (D и T), это уменьшение массы было преобразовано в энергию согласно E = mc 2 . [Назад]

г. Тритий можно получить путем бомбардировки лития-6 нейтронами любой энергии. Когда литий-6 (три протона, три нейтрона) поглощает нейтрон, он распадается на гелий (два протона, два нейтрона) и тритий (один протон, два нейтрона) вместе с выделением 4.8 МэВ энергии. Тритий можно также производить из более распространенного лития-7 из нейтронов высоких энергий. Следовательно, природный литий можно использовать для производства трития в термоядерном реакторе. По данным Европейской комиссии 1 : «Для термоядерной установки мощностью 1 ГВт потребуется около 100 кг дейтерия и 3 тонны природного лития, чтобы работать в течение всего года, производя около 7 миллиардов кВтч». [Назад]

г. Европейское соглашение о развитии термоядерного синтеза (EFDA) было создано, чтобы обеспечить основу для исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием в Европейском Союзе и Швейцарии.[Назад]

г. У Принстонской лаборатории физики плазмы есть веб-страница на TFTR [Назад]

e. Первые эксперименты по синтезу с инерционным удержанием в NIF (см. Https://lasers.llnl.gov/science/icf) будут использовать метод «непрямого привода», который отличается от метода «прямого привода», описанного в основном тексте. В методе непрямого возбуждения лазеры фокусируются на золотой полости (известной как hohlraum ), содержащей топливную таблетку. Лазеры быстро нагревают внутреннюю поверхность хольраума, генерируя рентгеновские лучи, которые вызывают сдувание поверхности капсулы, в свою очередь, заставляя капсулу с горючим взорваться так же, как если бы в нее попали прямые лазеры.Есть надежда, что NIF станет первым лазером, в котором энергия, выделяемая из термоядерного топлива, превысит энергию лазера, используемую для реакции термоядерного синтеза. [Назад]

ф. Аппарат Z был разработан для подачи импульсов рентгеновского излучения мощностью 50 тераватт, но усовершенствования позволили получить импульсы мощностью 290 тераватт. После капитального ремонта в 2007 году электрический импульс Z-машины был увеличен с 18 миллионов ампер до 26 миллионов ампер, передаваемых за несколько наносекунд. [Назад]

г. hohlraum – это металлическая полость, используемая в методах «непрямого возбуждения» для термоядерного синтеза с инерционным ограничением – см. Примечание е выше.[Назад]

Список литературы

1. Fusion Research: An Energy Option for Europe’s Future, Генеральный директорат по исследованиям, Европейская комиссия, 2007 г. (ISBN: 927

38) [Назад]
2. Заявление доктора Раймонда Л. Орбаха, заместителя секретаря по науке и директора Управления науки Министерства энергетики США (22 мая 2008 г.) [Назад]
3. Национальный центр зажигания произвел беспрецедентный лазерный выстрел в 1 мегаджоуль, пресс-релиз Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (27 января 2010 г.)
4.ЖИЗНЬ: Страница «Чистая энергия из ядерных отходов» на веб-сайте Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (www.llnl.gov) [Назад]
5. Z производит термоядерные нейтроны, подтверждают ученые Sandia, пресс-релиз Sandia National Laboratories (7 апреля 2003 г.)
6. Аппарат Z Сандии превышает два миллиарда градусов Кельвина, пресс-релиз Sandia National Laboratories (8 марта 2006 г.) [Назад]
7. Новый проект по термоядерному зажиганию, Новости Массачусетского технологического института (10 мая 2010 г.) [Назад]
Новый рекорд для термоядерного синтеза, MIT News (14 октября 2016 г.)
8.Безопасность и воздействие термоядерного синтеза на окружающую среду, И. Кук, Г. Марбах, Л. Ди Пейс, К. Жирар, Н. П. Тейлор, EUR (01) CCE-FU / FTC 8/5 (апрель 2001 г.) [Назад]

Общие источники

Сайт ИТЭР (www.iter.org)
Сайт JET
Culham Center for Fusion Energy (ранее UKAEA Culham) веб-сайт (www.ccfe.ac.uk)
Веб-сайт Национального центра зажигания (https://lasers.llnl.gov)
Сайт HiPER (www.hiper-laser.org)
Информационный веб-сайт European Fusion Network (https: // www.fusenet.eu/)
Веб-сайт программы Fusion Energy Sciences (FES) Управления науки Министерства энергетики США (https://science.energy.gov/fes/)
Веб-сайт исследования больших спиральных устройств
Деятельность HiPER, Nuclear Engineering International (ноябрь 2008 г.)
Быстрый путь к термоядерной энергии , Майкл Х. Ки, Nature 412, 775-776 (23 августа 2001 г.)
Статья Lockheed CFR, Aviation Week (октябрь 2014)
Магнито-инерционный синтез, GA Wurden и др. , Journal of Fusion Energy, Volume 35, Issue 1, 69-77 (февраль 2016)
Почему термоядерный синтез с намагниченной мишенью предлагает недорогой путь развития термоядерной энергии, Ричард Э.Симон, Ирвин Р. Линдемут и Курт Ф. Шенберг, Национальная лаборатория Лос-Аламоса (представлено в Комментарии по физике плазмы и управляемому синтезу , 12 ноября 1997 г.)
Реактор синтеза с магнитной мишенью с акустическим приводом, Мишель Лаберж, General Fusion Inc., Journal of Fusion Energy, Volume 27, 65-68 (июнь 2008)
Стабилизированные взрывы жидких лайнеров для повторяющегося сжатия плазменных мишеней, Питер Дж. Турчи, представленный на семинаре ARPA-E по драйверам низкозатратных разработок на пути к экономичному термоядерному синтезу ( 29-30 октября 2013 г.)
Производство электроэнергии с помощью LENR, Стивен Кривит (февраль 2017 г.)
Новый источник энергии с использованием низкоэнергетического синтеза водорода, Эдмунд Стормз, Наука об окружающей среде: Индийский журнал, том 13, выпуск 2 (март 2017 г.) )

5 великих идей для превращения термоядерной энергии в реальность

Шутка существовала почти столько же, сколько и мечта: До получения энергии ядерного синтеза осталось 30 лет…и всегда будет. Но теперь, более чем через 80 лет после того, как австралийский физик Марк Олифант впервые обнаружил слияние атомов дейтерия и высвобождение капель энергии, возможно, наконец, пришло время обновить главную мысль.

За последние несколько лет более двух десятков исследовательских групп – впечатляюще укомплектованные и хорошо финансируемые стартапы, университетские программы и корпоративные проекты – достигли потрясающих успехов в области управляемого ядерного синтеза. Они строят термоядерные реакторы, основанные на совершенно разных конструкциях, которые бросают вызов двум основным подходам, которые используют либо огромный магнитный сосуд в форме пончика, называемый токамаком, либо чрезвычайно мощные лазеры.

Более того, некоторые из этих групп прогнозируют важные этапы синтеза в ближайшие пять лет, включая достижение точки безубыточности, при которой произведенная энергия превосходит энергию, используемую для зажигания реакции. Это шокирующе скоро, учитывая, что основные проекты, основанные на традиционных токамаках и подходах на основе лазеров, работали десятилетиями и потратили миллиарды долларов, не достигнув безубыточности.

В Кембридже, штат Массачусетс, исследователи Commonwealth Fusion Systems из Массачусетского технологического института заявляют, что их последняя конструкция реактора выйдет на уровень безубыточности к 2025 году.В Соединенном Королевстве дочернее предприятие Оксфордского университета под названием First Light Fusion заявляет, что выйдет на уровень безубыточности в 2024 году. А в Южной Калифорнии стартап TAE Technologies опубликовал захватывающе амбициозные пятилетние сроки для коммерциализации своего термоядерного реактора.

Иррациональное изобилие? Может быть. Исследования в области термоядерного синтеза – одно из самых дорогостоящих начинаний, поскольку оно зависит от большого притока наличных денег только для оплаты счетов лаборатории за электроэнергию. В погоне за финансированием велик соблазн переоценить будущие достижения.И прошлые надежды на надвигающийся прорыв не раз оправдались. Что изменилось сейчас, так это то, что достижения в области высокоскоростных вычислений, материаловедения, моделирования и симуляции помогают преодолеть некогда непокорные технические препятствия, и в эту область вкладываются значительные суммы денег.

Некоторые из новых термоядерных проектов заставляют работать суперкомпьютеры новейшего поколения, чтобы лучше понять и настроить поведение сверхвысокотемпературной плазмы, в которой ядра водорода сливаются с образованием гелия.Другие возобновили многообещающие исследования, которые откладывались десятилетия назад. Третьи используют новые сверхпроводники или гибридизируют основные концепции.

Несмотря на их мощные инструменты и творческий подход, многие из этих новых предприятий потерпят неудачу. Но если хотя бы одному удастся построить реактор, способный производить электроэнергию экономически, это может коренным образом изменить ход человеческой цивилизации. В реакции термоядерного синтеза один грамм изотопов водорода, которые наиболее часто используются, теоретически может дать ту же энергию, что и 11 метрических тонн угля, с гелием в качестве единственного постоянного побочного продукта.

По мере того, как изменение климата ускоряется и спрос на электроэнергию стремительно растет, ядерный синтез обещает безуглеродный, малоотходный базовый источник энергии, относительно чистый и не связанный с риском расплавления или использования оружия. Эта дразнящая возможность поддерживала мечту о слиянии на протяжении десятилетий. Сможет ли один из этих разрозненных стартапов, наконец, превратить синтез в реальность?

Не так давно перспективы термоядерной энергетики были довольно мрачными: , когда два крупнейших проекта, казалось, застопорились.В 2016 году Министерство энергетики США признало, что его Национальная система зажигания (NIF) стоимостью 3,5 миллиарда долларов США не смогла достичь своей цели по использованию лазеров для «зажигания» самоподдерживающейся термоядерной реакции. В отчете Министерства энергетики говорится [PDF], что исследование NIF должны перейти от исследования воспламенения от лазерной искры к определению того, возможно ли такое возгорание.

В том же году США и несколько других правительств начали обсуждать, стоит ли им поддерживать Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР).ITER, впервые предложенный в 1985 году и сейчас строящийся на юге Франции, является крупнейшим в мире термоядерным экспериментом. Это тип токамака, который использует магнитные силы для удержания и изоляции яростно горячей, энергичной плазмы, необходимой для инициирования и поддержания термоядерного синтеза. Но проект страдает от задержек и перерасхода средств, что в пять раз превысило его первоначальную цену в 5 миллиардов долларов и отодвинуло его предполагаемую дату завершения до 2035 года. конструкции находятся в эксплуатации.Неудачи и огромные расходы НИФ и ИТЭР привели к потере не только денег, но и энтузиазма.

Даже после провала поддерживаемых государством мегапроектов, исследования альтернативной термоядерной энергии начали набирать обороты. Надежды тех, кто преследует эти новые усилия, состоит в том, что их новаторские и менее масштабные подходы смогут ускориться после десятилетий постепенного упадка. Инвесторы, наконец, замечают это и вкладывают деньги в эту отрасль. За последние пять лет частные капиталисты ввели около 1 доллара.5 миллиардов долларов в малые компании по производству термоядерной энергии. Среди тех, кто сделал серьезные ставки на слияние, – Джефф Безос из Amazon, Билл Гейтс из Microsoft и венчурный капиталист Питер Тиль. Несколько крупных корпораций, в том числе Lockheed Martin, запустили свои собственные проекты по малой термоядерной реакции.

Джесси Треу, доктор философии физик, который большую часть своей карьеры инвестировал в стартапы в области биотехнологий и медицины, говорит, что в 2016 году он осознал, что «в термоядерной энергии начали происходить замечательные вещи, но финансирование не хватало.Ясно, что частный и венчурный капитал являются частью решения по развитию этой технологии, которая, несомненно, является лучшим энергетическим ответом для планеты ». Он стал соучредителем Stellar Energy Foundation, чтобы связать исследователей термоядерного синтеза с источниками финансирования и обеспечить поддержку и защиту.

И государственные деньги начали поступать за частными: грантодатели Министерства энергетики США, которые на протяжении десятилетий направляли большую часть средств, не связанных с защитой термоядерного синтеза, в ИТЭР, теперь направляют некоторое финансирование на проекты, находящиеся на периферии основных исследований.Федеральный бюджет включает в себя увеличение на 107 миллионов долларов на термоядерные проекты в 2020 финансовом году, включая программу исследовательского партнерства, которая позволяет небольшим компаниям проводить крупные эксперименты в национальных лабораториях Министерства энергетики.

Возобновление интереса правительства США частично объясняется осознанной необходимостью идти в ногу с Китаем, который недавно возобновил свою программу термоядерной энергии после трехлетнего моратория. Китайское правительство планирует запустить в этом году новый термоядерный реактор в провинции Сычуань.Тем временем китайская энергетическая компания ENN Energy Holdings инвестирует в исследовательские программы за рубежом и строит копию компактного реактора Princeton Fusion Systems в центральном Китае с помощью ведущих ученых США.

«Теперь, когда похоже, что Китай поглотит все идеи, которые США не смогли профинансировать, – говорит Мэтью Дж. Мойнихан, инженер-ядерщик и консультант инвесторов по термоядерному синтезу, – это стало пробуждением для правительства США. ”

Несмотря на всю эту деятельность и инвестиции, термоядерная энергия остается серьезной проблемой, как никогда.

В отличие от ядерного деления, при котором большое нестабильное ядро ​​разделяется на более мелкие элементы, реакция синтеза происходит, когда ядра легкого элемента, обычно водорода, сталкиваются с силой, достаточной для слияния и образования более тяжелого элемента. При этом часть массы высвобождается и преобразуется в энергию, как указано в известной формуле Альберта Эйнштейна: E = mc 2 .

В нашей Вселенной изобилие термоядерной энергии – Солнце и другие стабильные звезды питаются за счет термоядерного синтеза – но задача запуска и управления самоподдерживающейся реакцией термоядерного синтеза и использования ее энергии, возможно, является самой сложной инженерной задачей, с которой сталкиваются люди. когда-либо пытались.

Чтобы объединить ядра водорода, проектировщикам наземных реакторов необходимо найти способы преодолеть взаимное отталкивание положительно заряженных ионов – кулоновскую силу – и подвести их достаточно близко, чтобы связать их посредством так называемого сильного ядерного взаимодействия. В большинстве методов используются настолько высокие температуры – на несколько порядков выше, чем температура ядра Солнца, составляющая 15 миллионов ° C, – что материя может существовать только в плазменном состоянии, в котором электроны вырываются из своих атомных ядер и свободно циркулируют в газоподобных облаках. .

Но плазма с высокой плотностью энергии, как известно, нестабильна и ее трудно контролировать. Он извивается, корчится и пытается вырваться, перемещаясь к краям поля, в котором он находится, где быстро охлаждается и рассеивается. Большинство проблем, связанных с термоядерной энергией, связано с плазмой: как ее нагреть, как удержать, как сформировать и контролировать. Два основных подхода – это магнитное удержание и инерционное удержание. Реакторы с магнитным удержанием, такие как ITER, пытаются удерживать плазму внутри токамака с помощью мощных магнитных полей.Подходы с инерционным ограничением, такие как NIF, обычно используют лазеры для сжатия и взрыва плазмы так быстро, что она удерживается на месте достаточно долго, чтобы реакция могла начаться.

Ученые давно думали, что чем больше, тем лучше, когда дело доходит до создания стабильных и энергетически плотных плазменных полей. Но с недавними достижениями в области суперкомпьютеров и сложного моделирования исследователи разгадывают все больше загадок, лежащих в основе поведения плазмы, и разрабатывают новые приемы, позволяющие справиться с этим без использования огромного и сложного оборудования.

Среди исследователей, стоящих на переднем крае этой работы, является физик К. Венделл Хортон-младший из Института термоядерных исследований Техасского университета. Он использует университетский суперкомпьютер Stampede для моделирования потоков плазмы и турбулентности внутри реакторов с магнитным удержанием. «Мы делаем расчеты, которые были невозможны всего несколько лет назад, и моделируем данные о плазме в трех измерениях и во времени, – говорит Хортон. – Теперь мы можем видеть происходящее с гораздо большим количеством нюансов и деталей, чем мы могли бы получить с помощью аналитических теорий. и даже самые современные датчики и диагностические измерения.Это дает нам более целостную картину того, что необходимо для улучшения конструкции реактора ».

Находки Хортона послужили основой для разработки крупномасштабных экспериментов, таких как ИТЭР, а также небольших проектов.« Проблема с ИТЭР заключается в том, что неважно насколько хорошо они заставляют плазму вести себя, они еще не выяснили, как добиться самоподдержания реакции », – говорит он. «Он по-прежнему сгорит в считанные минуты, и это, очевидно, не решит энергетической проблемы». Он и другие исследователи полагают, что некоторые из небольших усилий намного ближе к достижению устойчивой реакции, которая могла бы вызвать базовую нагрузку. электричество.

Среди наиболее зрелых стартапов в области термоядерного синтеза находится калифорнийская компания TAE Technologies (ранее Tri Alpha Energy), запущенная в 1998 году.

Реактор TAE спроектирован для использования так называемой конфигурации с обратным полем (FRC). создать закрученное кольцо плазмы, которое находится в собственном магнитном поле. (Конструкция Princeton Fusion Systems также является FRC.) Вместо использования дейтерия и трития – смеси изотопов водорода, которая питает большинство термоядерных реакторов – реактор TAE вводит пучки высокоэнергетических нейтральных частиц водорода в водородно-борное топливо, заставляя реакция, которая производит альфа-частицы (ионизированные ядра гелия).Тепло, генерируемое в защитной оболочке, вызванное отложением энергии мягкого рентгеновского излучения, будет преобразовано в электричество с использованием традиционной системы термического преобразования, которая нагревает воду в пар для привода турбины.

Синтез водорода с бором является анейтронным, что означает, что первичная реакция не производит разрушительного нейтронного излучения. Недостатком является то, что для сжигания топлива требуются необычные температуры, достигающие 3 миллиардов ° C. «Когда тебе так жарко, электроны излучаются как сумасшедшие», – говорит Уильям Дорланд, профессор физики в Университете Мэриленда.«Они собираются охладить плазму быстрее, чем вы можете ее нагреть». Хотя машины FRC кажутся менее склонными к нестабильности плазмы, чем некоторые другие методы магнитного удержания, никто еще не продемонстрировал реактор FRC, который может создать стабильную

Соучредитель и генеральный директор TAE Майкл Биндербауэр говорит, что последняя машина компании, получившая название Norman (в честь соучредителя компании Нормана Ростокера), обеспечивает «значительные улучшения в удержании плазмы и стабильности по сравнению с машиной предыдущего поколения.«Движущей силой улучшений являются достижения в области искусственного интеллекта и машинного обучения, которые стали возможными благодаря передовому алгоритму, разработанному Google под названием Optometrist. TAE адаптировала алгоритм в сотрудничестве с Google для анализа данных о поведении плазмы и определения комбинации переменных. Это создаст самые идеальные условия для синтеза. Исследователи описали это в статье Nature , опубликованной в 2017 году.

«Мы делаем то, что никогда не могли бы сделать 10 лет назад, и это ускоряет и ускоряет циклы обучения. , – говорит Биндербауэр.

Расширенные вычисления также вдохнул новую жизнь в многообещающие направления исследований, которые были заброшены много лет назад из-за сокращения бюджета или технических препятствий. Компания General Fusion, базирующаяся недалеко от Ванкувера, была основана канадским физиком плазмы Мишелем Лабержем. Он оставил прибыльную работу по разработке лазерных принтеров, чтобы реализовать подход, называемый синтезом намагниченной мишени (MTF). Компания привлекла более 200 миллионов долларов, включая инвестиции Джеффа Безоса и правительств Канады и Малайзии.

Конструкция General Fusion сочетает в себе особенности термоядерного синтеза с магнитным и инерционным удержанием. Он впрыскивает импульсы магнитно удерживаемого плазменного топлива в сферу, заполненную вихрем из расплавленного свинца и лития. Поршни, окружающие реактор, направляют ударные волны к центру, сжимая топливо и заставляя частицы вступать в реакцию синтеза. Получающееся тепло поглощается жидким металлом и используется для производства пара для вращения турбины и выработки электроэнергии.

«Вы можете думать об этом как о противоположности токамака», – говорит Лаберж.«Токамаки работают с большим плазменным полем [относительно] низкой плотности. Мы пытаемся создать плазму миниатюрных размеров с чрезвычайно высокой плотностью, раздавливая ее ударными волнами. Поскольку поле настолько плотное и маленькое, нам нужно удерживать его вместе в течение миллисекунды, чтобы оно среагировало ».

В 1970-х годах Лаборатория военно-морских исследований США экспериментировала с поршневой системой, запускающей ядерный синтез. Эти эксперименты не увенчались успехом. в значительной степени из-за невозможности точно контролировать синхронизацию ударных волн.Команда Лаберже разработала передовые алгоритмы и высокоточные системы управления для точной настройки скорости и времени ударных волн и сжатия.

«В тех экспериментах 1970-х проблема заключалась в симметрии, – говорит Лаберж. – Теперь мы достигли необходимой точности и силы, так что эта деталь решена».

Использование жидкого металла может решить еще одну из основных проблем термоядерного синтеза: нейтронное излучение разрушает стенки реактора, которые необходимо часто заменять и утилизировать как низкоактивные радиоактивные отходы.Жидкий металл защищает прочную внешнюю стену от повреждений. Есть некоторое облучение жидкого металла, но нет необходимости его регулярно заменять, поэтому реактор не производит постоянного потока низкоактивных отходов.

Новейший реактор General Fusion, который впервые генерировал плазму в конце 2018 года, является центральным элементом установки, которая, по словам Лабержа, продемонстрирует сквозную способность производить электричество с помощью ядерного синтеза. «Теперь, когда мы успешно создали стабильную долгоживущую плазму, мы видим, что у нас есть реальный путь к тому, чтобы плазма генерировала больше энергии, чем потребляла», – говорит он.«С точки зрения коммерциализации наш график теперь составляет несколько лет, а не десятилетий».

Базирующаяся в Вирджинии компания HyperJet Fusion Corp. использует подход, аналогичный подходу General Fusion, но вместо поршней около 600 плазменных пушек стреляют реактивными двигателями. Плазма в реактор. Слияние струй формирует плазменную оболочку или лайнер, который затем взрывается и воспламеняет намагниченную плазму мишени. Системе не нужна система нагрева, чтобы довести топливо до температур термоядерного синтеза, говорит генеральный директор HyperJet. ученый Ф.Дуглас Уизерспун. «Взрывающийся плазменный лайнер содержит целевую плазму и обеспечивает энергию для повышения температуры до условий термоядерного синтеза. И поскольку мы используем плазму с гораздо более высокой плотностью, чем система магнитного удержания, она уменьшает размер термосплавной плазмы от метрового до сантиметрового масштаба ».

Уизерспун говорит, что преимущество HyperJet перед токамаками состоит в том, что ему не нужны дорогие сверхпроводящие магниты для генерации огромных магнитных полей, необходимых для удержания плазмы, горящей термоядерным синтезом.

Сами токамаки также получают перезагрузку благодаря использованию различных сверхпроводящих материалов, которые могут сделать магнитное удержание более жизнеспособным. Компания Commonwealth Fusion Systems, дочерняя компания Массачусетского технологического института, использует оксид иттрия-бария-меди (YBCO), высокотемпературный сверхпроводник, в магнитах своего реактора Sparc.

Соучредитель Содружества Мартин Гринвальд, который также является заместителем директора Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института, подсчитал, что магниты YBCO реактора Sparc будут способны создавать поле около 21 тесла на своей поверхности и 12 Тл в центре поля. плазмы, примерно вдвое превышающей напряженность поля магнитов токамаков из ниобия-олова.Более сильные магнитные поля создают более сильную удерживающую силу на заряженных частицах в плазме, улучшая изоляцию и делая термоядерное устройство гораздо меньшего размера, более дешевым и потенциально более эффективным.

«Если вы можете удвоить магнитное поле и уменьшить размер устройства вдвое с той же производительностью, это изменит правила игры», – говорит Гринвальд.

Действительно, одно из преимуществ новых малых проектов термоядерного синтеза заключается в том, что они могут сконцентрироваться на новых аспектах своих разработок, в то же время используя в своих интересах десятилетия с трудом добытых знаний об основах термоядерной науки.По словам Гринвальда: «Мы думаем, что сможем быстрее перейти к коммерческому развертыванию термоядерных электростанций, приняв традиционную физическую основу, разработанную вокруг эксперимента ИТЭР, и сосредоточив внимание на нашем сотрудничестве между физиками и инженерами-магнитами, которые устанавливают рекорды на протяжении десятилетий».

Некоторые многообещающие стартапы, , не согласны с общепринятой точкой зрения и по-новому подходят к физике, лежащей в основе термоядерного синтеза.Один из наиболее радикальных подходов – метод First Light Fusion.Британская компания намеревается производить термоядерный синтез, используя реактор с инерционным ограничением, вдохновленный очень шумным ракообразным.

Отличительная особенность креветки-пистолета – это ее огромная, похожая на пистолет, клешня, которую она использует для оглушения добычи. Отведя назад «молотковую» часть когтя, креветка прижимает ее к противоположной стороне когтя, создавая быстрое изменение давления, которое создает заполненные паром пустоты в воде, называемые кавитационными пузырьками. Когда эти пузырьки схлопываются, пульсируют ударные волны. через воду со скоростью 25 метров в секунду, этого достаточно, чтобы уничтожить мелких морских животных.

«Креветка просто хочет использовать волну давления, чтобы оглушить свою добычу, – говорит Николас Хокер, соучредитель и генеральный директор First Light. плазма, чтобы сформироваться – или что она создала единственный на Земле пример термоядерного синтеза с инерционным удержанием ». Плазма достигает температуры более 4700 ° C, и это создает взрыв мощностью 218 децибел.

Хоукер в своей докторской диссертации в Оксфордском университете сосредоточился на необычной клешне креветки-пистолета и начал изучать, можно ли имитировать и масштабировать физиологию креветки, чтобы вызвать термоядерную реакцию, которая могла бы производить электричество.

Собрав 25 миллионов фунтов стерлингов (около 33 миллионов долларов) и объединившись с международной инженерной группой Mott MacDonald, First Light строит реактор ICF, в котором «коготь» состоит из металлического дискообразного снаряда и куба с заполненной полостью. с дейтериево-тритиевым топливом. Удар снаряда создает ударные волны, которые вызывают кавитационные пузыри в топливе. Когда пузыри схлопываются, топливо внутри них сжимается достаточно долго и с силой, достаточной для плавления.

Хоукер говорит, что First Light надеется инициировать его первая термоядерная реакция в этом году и продемонстрировать чистый прирост энергии к 2024 году.Но он признает, что этих достижений будет недостаточно. «Энергия термоядерного синтеза не должна быть просто научно возможной, – говорит он. – Она должна быть коммерчески жизнеспособной».

Никто не верит, что это будет легко, но необычайная проблема термоядерной энергии – не говоря уже о насущной необходимости – является частью притяжения для многих ученых и инженеров, которые недавно были привлечены к этой области. И все чаще у них появляются ресурсы для финансирования своей работы.

«Это мнение о том, что до термоядерного синтеза осталось еще 30, 40 или 50 лет, неверно», – говорит Биндербауэр из TAE, чья компания привлекла более 600 миллионов долларов.«Мы увидим коммерциализацию этой технологии в течение пяти лет».

Опытные исследователи термоядерного синтеза, такие как Дорланд и Хортон, обычно имеют более сдержанный взгляд на вещи. Они опасаются, что невыполненные грандиозные обещания могут подорвать общественное мнение. поддержка инвесторов, как это происходило в прошлом. Любые заявления о коммерциализации в течение десятилетия «просто неправда», – говорит Дорланд. «Нам еще далеко до перехода к термоядерной энергии».

Однако немногие будут спорить, так это острая необходимость в ядерном синтезе в ближайшем будущем.

«Думаю, не будет преувеличением сказать, что у термоядерного синтеза наступил момент Китти Хока, – говорит Гринвальд из Массачусетского технологического института. – У нас нет самолета 747, но мы летаем».

Эта статья опубликована в печатном выпуске за февраль 2020 года как «5 больших идей для термоядерной энергии».

Край ядерного синтеза на пути к мейнстриму

АБИНГДОН, Англия – Использование термоядерной энергии во что-то коммерчески жизнеспособное – и, возможно, в конечном итоге, чистый источник энергии, который заменяет ископаемое топливо на долгие века, – долгое время считался некоторыми лучшим источником энергии.

Но интерес инвесторов к термоядерной энергии продолжает медленно расти, и количество новых предприятий в этой области растет, и, по оценкам, 1100 человек в нескольких странах зарабатывают на жизнь в этих компаниях. Формируется отрасль с растущей сетью компаний, которые поставляют узкоспециализированное оборудование, такое как компоненты мощных магнитов, необходимых для термоядерных устройств.

Британское правительство даже недавно осознало необходимость принятия нормативных актов в области термоядерной энергии – своего рода веха для растущей отрасли.

Никто не знает, когда термоядерная энергия станет коммерчески жизнеспособной, но увеличение частных инвестиций вызывает растущую тревогу по поводу глобального потепления.

«Ни у кого нет лучшего плана по борьбе с климатическим кризисом», – сказал Дэвид Кингхэм, один из трех соучредителей Tokamak Energy, компании, которая привлекла около 200 миллионов долларов, в основном из частных источников.

Цель Tokamak Energy – в конечном итоге нагреть изотопы водорода до такой степени, чтобы их атомы соединялись в реакции, высвобождающей огромное количество энергии.Это суть слияния, часто описываемого как энергия, стоящая за солнцем и звездами.

В лаборатории компании в бизнес-парке за пределами Оксфорда каждые 15-20 минут в системе громкой связи появляется предупреждение о том, что приближается тест и что всем следует держаться подальше от комнаты с термоядерным устройством, высота которого составляет 14 футов. высокий с толстыми стальными стенками. Раздается жужжащий звук, который длится около секунды. Затем монитор показывает жуткое пульсирующее видео внутри устройства, когда мощный луч попадает в перегретый газ, известный как плазма.

Во время испытаний прототип машины Токамака, строительство которого стоило 50 миллионов фунтов (около 68 миллионов долларов), нагрелся до 11 миллионов градусов Цельсия. Ученые считают, что им нужно достичь 100 миллионов градусов по Цельсию, что примерно в семь раз выше температуры ядра Солнца. Они рассчитывают добраться туда к концу года.

Один из ученых в диспетчерской Токамака, 40-летний Отто Асунта, старший физик, сказал, что с тех пор, как он пришел в компанию шесть лет назад, количество сотрудников выросло в десять раз до 180, а работа стала все более сложной.

«Мы создаем устройства мирового класса», – сказал он.

Название компании относится к типу устройств, изобретенных в Советском Союзе и являющихся сейчас основным направлением деятельности в этой области. Токамаки пытаются достичь термоядерного синтеза, используя мощные магниты для удержания и сжатия перегретого газа, создавая своего рода молнию в бутылке.

Компания была основана в 2009 году учеными, которые думали, что могут добиться большего в небольшой, подвижной компании, чем оставаясь в крупных институциональных лабораториях, таких как британский правительственный исследовательский центр термоядерного синтеза в Калхэме или ИТЭР на юге Франции, где очень большой Устройство диаметром около 100 футов строится за 25 миллиардов долларов.

В то время решение было одиноким; теперь у них много компании.

С начала 1990-х годов количество новых предприятий в области термоядерного синтеза быстро растет. Эндрю Холланд, исполнительный директор Fusion Industry Association, говорит, что существует не менее 35 компаний в нескольких странах, включая США, Великобританию, Францию, Канаду и Китай. Согласно предстоящему исследованию ассоциации и Управления по атомной энергии Великобритании, они собрали в общей сложности 1,9 миллиарда долларов, в основном из частных источников.

Зачем вкладывать деньги в дальние поиски, которые так и не принесли ни цента? Инвесторы говорят, что их привлекает перспектива скорейшего внедрения технологии, которая может изменить правила игры: термоядерного реактора, который производит гораздо больше энергии, чем уходит в него. Такое достижение могло иметь огромные коммерческие перспективы.

Дэвид Хардинг, основатель двух фирм по управлению инвестициями, чьи активы оцениваются в 27 миллионов фунтов стерлингов, является одним из ключевых спонсоров Tokamak Energy.Он сказал, что его давно привлекала идея «дешевой неограниченной энергии с помощью научного волшебства», но теперь «весь импульс глобального потепления делает это еще более очевидным».

Инвесторы говорят, что они уже видят прибыль. Марк Уайт, инвестиционный директор Британского фонда посевных инвестиций в науку и инновации, который дал основателям Токамака первые 25000 фунтов стерлингов, сказал, что, судя по ценам, уплаченным во время сбора капитала в прошлом году, общие инвестиции его фонда в размере 400000 фунтов стерлингов теперь оцениваются примерно в 7 фунтов стерлингов. .5 миллионов. По этому показателю общая стоимость Tokamak Energy составляет около 317 миллионов фунтов стерлингов.

Еще одним инвестором в слияние является Винод Хосла, основатель Khosla Ventures, венчурной компании, расположенной в Менло-Парке, Калифорния, которая поддерживает Commonwealth Fusion Systems, дочернюю компанию Массачусетского технологического института.

В интервью г-н Хосла сказал, что ключом к тому, чтобы сделать такой многолетний проект, как слияние, привлекательным для инвесторов, было разбить предприятие на этапы, которые инвесторы могли бы отслеживать, прежде чем вкладывать больше денег.

Содружество недавно объявило об успешном испытании того, что оно называет самой мощной в мире версией типа магнита, критически важного для многих усилий по термоядерному синтезу, достижению, которому аплодировали инвесторы.

«Не думаю, что у нас возникнут проблемы с финансированием в следующем раунде», – сказал г-н Хосла.

Сторонники Fusion говорят, что развитие магнитов и других областей значительно повысило вероятность успеха. Вопреки своей репутации отрасли, рассчитанной на долгие годы, окупаемость которой ожидается через несколько десятилетий, «на самом деле был достигнут колоссальный прогресс», – сказал Фил Ларошель, инвестиционный менеджер Breakthrough Energy Ventures.Breakthrough, венчурная компания, председателем которой является Билл Гейтс, также инвестировала в Commonwealth.

Ученые в этой области отметили, что приток частных денег и поиск различных подходов к проблеме были положительными.

«Трудно предсказать, какой из них в итоге победит, но будет много хороших исследований и разработок», – сказал Джонатан Э. Менард, заместитель директора по исследованиям Принстонской лаборатории физики плазмы.

Однако в ближайшие годы потребуется значительный рост расходов, говорят руководители Fusion.Tokamak Energy хочет построить пилотную термоядерную установку стоимостью 1 миллиард долларов, используя разработанные ею мощные магниты, которые обеспечивают притяжение во много тысяч раз большее, чем сила тяжести Земли. Устройство могло быть основой для ядра электростанций или для других коммерческих целей.

Убедить инвесторов сделать скачок от однозначных обязательств в миллион долларов к частям от 50 до 100 миллионов долларов, необходимых для нового поколения прототипов, непросто.

«Люди по-прежнему измеряют доходность инвестиций с помощью обычных показателей», например, сколько выручки приносит компания, – сказал Майкл Биндербауэр, исполнительный директор калифорнийской компании TAE Technologies, которая привлекла около 900 миллионов долларов, что является крупнейшей публично определенной суммой.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.