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

Наука: перспективы развития термоядерной энергетики

Ирина Лагунина: Запасы ископаемого топлива рано или поздно исчерпаются. Альтернативные возобновляемые источники энергии вряд ли смогут в полной мере их заменить. Даже запасы урана для атомных станций ограничены. И все же человечеству не грозит энергетический голод. Атомные реакторы нового поколения наряду с электричеством способны нарабатывать ядерное топливо, с избытком восполняя израсходованное. Окончательное же решение энергетической проблемы даст термоядерная энергетика. Но реализация ее станет экономически оправданной, лишь когда нефть подорожает до 500 долларов за баррель, считает директор Института теплофизики экстремальных состояний РАН, академик Владимир Фортов. О перспективах развития энергетики с ним беседует Александр Сергеев.


Александр Сергеев: Владимир Евгеньевич, вы сказали, что перспективы энергетики – это определенная ядерная технология. Почему все-таки не нефть, не газ, не альтернативная энергетика, связанная с ветром, с солнцем?


Владимир Фортов: Сегодняшняя энергетика на 80% построена на использовании органического топлива – это уголь, газ, нефть, так называемые невозобновляемые источники энергии, они истощаются. Не так быстро, как пишут некоторые аналитики, потому что идет открытие новых месторождений. Но эти месторождения труднее в добыче и, естественно, дороже. Вот мы с вами сейчас беседуем на борту парохода, под нами Северный шельф. На этом шельфе третье в мире расположено газоносное месторождение. На первом месте Саудовская Аравия. Но если вы посмотрите, как добывается газ в Саудовской Аравии и как надо добывать в Штокмане, то вы, конечно, придете в ужас. Потому что речь идет о глубинах несколько сотен метров и еще вглубь дна приблизительно на полкилометра – километр. Плюс это, конечно, льды и поэтому добыча этих ресурсов будет очень дорогой. И чтобы двигаться дальше, люди идут по двум направлениям. Первое – это создание энергоэффективных технологий, получить как можно больше энергии из одного килограмма органического топлива. И второе – это поиск принципиально новых источников.


Александр Сергеев: Сейчас очень много говорится про альтернативную энергетику, ветровую, водную, про солнечную энергетику. Может ли она в перспективе потеснить существенным образом ископаемое топливо?


Владимир Фортов: Скажу вам так, что сегодня на 80% - это тепловая энергетика, когда вы сжигаете уголь, газ или нефть. И тепловая будет еще долго центральной во всем мире, не только у нас, не только наши оценки. Солнечная энергетика очень быстро прогрессирует. Снижается стоимость батарей, возникают новые фотопреобразователи, в частности, на структурах, которые придумал наш выдающийся Нобелевский лауреат Жорес Алферов. Цена этого падает резко. И по-видимому, где-то через 10-15 лет появятся первые устройства, которые будут конкурировать в коммерческом смысле. Если говорить об электроэнергии ветра, то есть прогнозы, по которым Германия должна выйти на 10% уровень. Но здесь есть свои особенности. Ветер не всегда дует, вы должны эту энергию запасать. Теперь ядерный энергетика. Энергоемкость ядерного топлива в миллион раз выше, чем энергоемкость органического топлива. Это удобно, потому что это позволяет вам избежать транспортных расходов. Но с другой стороны, это вещь потенциально опасная, потому что в случае аварии у вас выделяется большое количество энергии в заданном небольшом объеме. Еще есть радиоактивное заражение. Но тем не менее, доля атомной энергетики в мировом балансе, несмотря на Чернобыль, несмотря на отрицательное отношение к ядерной энергетике во многих странах, составляет где-то 16-18%. И сегодня явно меняется отношение к ядерной энергетике, как к вещи, без которой обойтись в будущем нельзя. Например, Франция около 75% своей энергетики вырабатывает на атомных станциях, не было ни одной аварии. Кроме того, они продают атомную энергию в форме электрической странам, которые у себя запретили атомную энергетику, например, Италии.

Сейчас в ядерной энергетике происходит поворот. И связан он с тем, что с одной стороны люди все-таки видят исчерпаемость всех других источников, видят экологические большие последствия, в частности, связанные с угольной энергетикой. Второе то, что атомная энергетика может работать в режиме так называемого бридинга, когда происходит воспроизводство ядерного топлива.


Александр Сергеев: Мы сжигаем одно топливо…


Владимир Фортов: И получаем топливо, которое можно сжигать еще и даже этого топлива больше, чем вы сожгли первичного топлива.


Александр Сергеев: А из чего мы его получаем?


Владимир Фортов: В нейтронном потоке производим другие делящиеся вещества. И здесь Россия находится на передовых позициях, потому что у нас работают реакторы на быстрых нейтронах, мы одни из первых построили. Но следующий этап, конечно, это термоядерная энергетика. Должен сказать, что вообще вся энергетика за очень небольшим исключением обязана своим происхождением термояду. Ядерные реакции синтеза двух атомов дейтерия и трития.


Александр Сергеев: Дейтерий и тритий – это тяжелые изотопы водорода.


Владимир Фортов: Я сказал, что вся энергетика и уголь, и органика, и солнечная энергия, и гидроэнергия, она обязана своим происхождением Солнцу. Это большой термоядерный реактор, в котором выполнены условия горения термоядерного топлива. Эти условия очень тяжелые. Нужны очень большие давления, нужны очень большие температуры. Для того, чтобы два ядра сблизить, нужно преодолеть барьер.


Александр Сергеев: Электрическое отталкивание.


Владимир Фортов: Так вот, чтобы сблизить их, существуют разные способы. Способ, который сейчас является фаворитом – это термоядерный синтез. Когда вы разогреваете до температуры сто миллионов градусов это все дело и с большой скоростью частички двигаются, они сольются по этой реакции. Задача получить очень высокую температуру так, чтобы плазма не касалась стенок сосуда, иначе она их прожжет и разорвет всю установку. Поэтому нужно плазму нагреть до высокой температуры. Второе: дать ей подольше пожить в таком состоянии, то есть отжать ее от стенок, для этого используется магнитное поле и надо зажечь ее. Очень образно проблему термоядерного синтеза можно представить как проблему поджога костра, сделанного из мокрых дров. Вам надо, чтобы пламя занялось, вода бы испарилась, пламя распространилось от одного слоя к другому. Если вы не обеспечите режим горения, вы энергии будете тратить больше, чем выделяется. Это одно направление.

Второе направление - это так называемый термоядерный синтез в инерционном удержании. Вам тоже нужно сделать температуру сто миллионов градусов, но вы говорите, что я не буду долго держать эту плазму в магнитном поле, а я возьму и сделаю это в форме микровзрыва, точно, как это сделано в водородной бомбе. Но в водородной бомбе в качестве запала спичек, которые зажигают этот костер, используют атомную бомбу. Атомная бомба плоха тем, что она имеет взаимокритическую массу. Вы не можете сделать атомную бомбу меньше, чем определенная величина. Поэтому вся система, атомная бомба плюс водородная, имеет минимальный уровень мощности, который находится на уровне килотонны. Так вот, что сейчас делают: сейчас берут вместо атомной бомбы, атомного запала, берется маленькая капелька дейтерий-3 замороженного, доли миллиметра. Эта капелька со всех сторон обжимается лазерным излучением, получается плазма высокой температуры и высоких плотностей. Плотность такой частички приблизительно в тысячу раз больше, чем плотностью исходная.


Александр Сергеев: То есть капля водорода намного плотнее самых тяжелых металлов?


Владимир Фортов: Вы должны капельку сжать и одновременно нагреть до высоких температур. Вот это условие импульсного термояда требует очень мощных и очень хороших лазеров. И американцы пустили NIF – эта машина имеет 192 лазерных пучка, энергия выделяется в форме взрыва и станция будет работать так, как работает двигатель внутреннего сгорания.


Александр Сергеев: А мощности взрывов?


Владимир Фортов: От 20 до 200 килограмм ТНТ, то есть то, что можно сделать в реакторе.


Александр Сергеев: То есть как взрыв приличной, но обычной бомбы. Есть такие камеры, в которых можно удержать?


Владимир Фортов: Приезжайте, я вам покажу, у меня такая камера есть, самая крупная в мире. Кстати, построена в Северодвинске из корпусов подводных лодок. Это никакая не фантастика. Водородная бомба, которая использует принципы, о которых я вам сказал, она сделана была, испытана и она стоит на вооружении у многих стран, сейчас 9 стран мира имеют термоядерное оружие. Поэтому с физической точки зрения здесь все ясно. Сегодня ситуация с магнитным термоядом вот какая: на трех установках сразу в мире энергию, которую вы тратите на разогрев плазмы, равна энергии, которую получается в результате термоядерного горения. У вас замкнут цикл.


Александр Сергеев: А эта энергия более-менее стабильно выходит?


Владимир Фортов: Работает несколько секунд и несколько секунд идет мощность. 25 мегаватт термоядерной энергии получено на этих трех установках. И сейчас делается большой международный проект, он приблизительно в десять раз больше выделять энергии, чем тратить. Этот реактор должен заработать лет через 10-15. После него уже пойдет следующий проект редактор «Демо», демонстрационный, который будет...


Александр Сергеев: Это исследовательский, за ним демонстрационный и только потом промышленный.


Владимир Фортов: Сейчас эти два направления, инерционный и магнитный, они конкурируют. Инерционный термояд поддерживается в значительной мере оборонными задачами, потому что вы тут имитируете процессы, которые происходят в водородной бомбе. Идет ИТР. Когда это все заработает, когда это даст? Это вопрос задавали на заре развития термояда Арцимовичу и он сказал так: термоядерная энергетика появится тогда, когда человечество в ней действительно будет нуждаться. Лучше не скажешь. Сегодня есть оценка: когда баррель нефти будет стоить больше 500 долларов, тогда надо будет переходить на термояд. Это дорого, но это говорит нам о том всем, что человечество без энергии не останется никогда.


Александр Сергеев: То есть она подорожает в несколько раз, но не кончится.


Владимир Фортов: Энергетика – это базовая отрасль экономики. И вы все отдадите ради того, чтобы у вас в розетке был свет. А в качестве шутки второй выдающийся ученый Кокрафт, возглавлял исследования соответствующие в Англии, его спросили: когда будет термояд коммерческий? Он сказал – через 20 лет. Прошло 20 лет. Его опять спросили – когда? Он сказал – через 20 лет. Как же так, вы 20 лет назад говорили. Он говорит: «Видите, я не меняю своих убеждений». Во всяком случае, если говорить об энергетике, то здесь есть перспектива. Хотя в других областях человеческой деятельности, например, в молекулярной биологии мы вполне можем нарваться на какую-то болезнь, которая просто угробит человечество и мы не сумеем ничего сделать. Поборем мы СПИД или не поборем? Я не знаю. Могут возникнуть в этих сложных биологических системах такие гадости, которые раньше уничтожат человечество, чем люди найдут способ противодействия. Вот здесь такого не будет. Здесь ясно - это вопрос денег и времени. Вот если вдруг сегодня нефть кончится, то, грубо говоря, завтра заработает термояд. Все навалятся на него и сделают.


Виктор Ильгисонис: Термоядерный синтез - вопрос самолюбия для человечества — Российская газета

Нередко приходится слышать, что термоядерные исследования - национальная гордость для России. Вы с таким утверждением согласны? Насколько оно обосновано и справедливо?

Виктор Ильгисонис: С исторической точки зрения - вполне. Потому что основные идеи и научно-технические решения были найдены и впервые реализованы в нашей стране. Но столь же важно понимать и другое: термоядерный синтез - это глобальная задача для всего человечества. По научным и технологическим трудностям. По стоимости исследований. И, конечно, по возможным последствиям и их масштабу.

Сегодня мы уже способны демонстрировать управляемое протекание термоядерных реакций в лабораторных условиях, но пока ещё далеки от решения всего комплекса научно-технических проблем, стоящих на пути создания энергетического термоядерного реактора. А сами по себе термоядерные исследования стали мощным драйвером технологического развития для промышленности, которая ориентируется на высокие технологии.

С этим, что называется, не поспоришь…

Виктор Ильгисонис: Установки термоядерного синтеза, которые сооружаются сегодня, находятся на пределе технологических возможностей. И само участие в процессе именно с этой точки зрения представляет интерес для большинства стран, так как позволяет развить у себя соответствующие области. Это мощная электротехника, сверхпроводимость, использование электромагнитного излучения - много всего.

Помимо уже сказанного, термоядерные исследования - это очень удобная платформа для международного сотрудничества и укрепления связей вне зависимости от политической ситуации. Просто потому, что сегодня освоение термоядерного синтеза не под силу одной стране, а только международному сообществу в целом.

Как вы оцениваете перспективы международного проекта ИТЭР? Будут ли выдержаны заявленные сроки получения первой плазмы? И какие плоды дает наше в этом участие?

Виктор Ильгисонис: Срок пока остается прежний - 2025 год. Но если и сместится вправо, то незначительно. Может быть, 2026-2027 годы. Многое будет зависеть от ситуации с пандемией, с которой столкнулись в этом году. И от общего состояния мировой экономики в этой связи. Заявленные сроки, я думаю, будут выдержаны, если не случится экстраординарных событий. И финансовые, и технологические обязательства большинством участников ИТЭР исполняются.

Нашу страну даже ставят в пример…

Виктор Ильгисонис: Да, можем гордиться. Россия скрупулезно и без задержек выполняет свои обязательства. Участие в этом процессе во всех смыслах было и остается для нас делом перспективным, потому что так мы сохраняем движение в область высших технологий. Изготовление элементов оборудования ИТЭР - это, повторю, предел технологических возможностей не только для нашей страны, а для всех развитых стран. Все делается по единому мировому стандарту. А уровень и строгость приемки в значительной степени превосходят требования, которые предъявляются к военной продукции в оборонной сфере. Поэтому ИТЭР - это, безусловно, технологический драйвер.

Но почему так долго? Идем-идем, а цель лишь маячит где-то на горизонте…

Виктор Ильгисони:. Подобные вопросы возникали и пятьдесят лет назад. А может, даже шестьдесят. И тогда же на них дал ответ академик Арцимович, один из первых руководителей этой программы. Эта проблема, сказал он, обязательно будет решена, когда термоядерная энергия будет совершенно необходима человечеству, потому что принципиальных затруднений на этом пути, по-видимому, нет. Экономической потребности в термоядерной энергетике как не было полвека назад, так и сейчас нет. Но исследования в этом направлении крайне важны, их ведут все развитые страны.

Главных причин три. Термоядерная энергетика - это система с неисчерпаемыми ресурсами. Даже в горизонте существования земной цивилизации нет предела по этим энергетическим запасам.

Во-вторых, эта система существенно более безопасная в сравнении с любым другим способом производства энергии - и с точки зрения экологии, и в том, что касается радиационного воздействия, и последствий возможных аварий.

А третий фактор можно условно назвать психологическим. Это, если хотите, удар по самолюбию человечества: единственная масштабная научно-техническая проблема, которая была поставлена в XX веке человечеством и которую оно до сих пор не смогло решить.

Насколько знаю, заходил и не единожды, разговор о разработке и принятии в России национальной термоядерной программы. Эта тема не угасла?

Виктор Ильгисонис: То, что мы называли в свое время термоядерной программой и даже инициировали в 2016 году процесс ее разработки, сейчас ближе всего к реализации. Потому что уже включено федеральным проектом "Термоядерные и плазменные технологии" в комплексную программу "Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации на период до 2024 года". Она сформирована во исполнение соответствующего указа главы государства.

Последние три месяца мы занимались детальным согласованием ее положений и техники ее исполнения с федеральными органами исполнительной власти. Потому что дополнением к Постановлению правительства №1288 эта комплексная программа приравнена к нацпроектам - по способу управления, по масштабам финансирования, по всем техническим подробностям. И термоядерные исследования являются важной самостоятельной частью в этой комплексной программе.

Сейчас она уже в аппарате правительства. Надеемся, что до наступления нового года программа будет утверждена президиумом Совета по стратегическому развитию и национальным проектам при президенте России. А с 2021 года начнется ее реализация.

Ручное солнце. Когда термоядерные реакторы станут реальностью

  • Эмма Вулкотт
  • Корреспондент Би-би-си по вопросам бизнеса

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Наше Солнце - большой термоядерный реактор. Можем ли мы воссоздать этот процесс на Земле?

Уже через пять лет мы сможем добывать почти неограниченную энергию из "миниатюрных солнц", заявляют некоторые стартапы. Речь идет о реакторах термоядерного синтеза, которые могут дать много дешевой и чистой энергии.

В условиях глобального потепления, вызванного нашей зависимостью от углеводородного топлива, миру требуются устойчивые источники альтернативной энергии. Если мы не их не найдем, то для миллионов людей будущее может стать очень мрачным: нехватка воды и еды, ведущая к голоду и войнам.

Термоядерный синтез уже давно считается потенциальным ответом на эти вызовы. Но он всегда был чем-то "в 30 годах от нас", как шутили в индустрии.

Сейчас несколько стартапов заявляют, что они могут сделать этот проект экономической реальностью намного раньше.

Что такое термоядерная реакция?

Термоядерная реакция - это слияние атомных ядер, в результате чего высвобождается энергия, которая и может помочь решить энергетический кризис.

Это тот же самый процесс, который происходит внутри Солнца, он чистый и относительно безопасный. Нет никаких выбросов.

Но сталкивание этих ядер дейтерия и трития (два изотопа водорода) под огромным давлением требует огромных объемов энергии - больше, чем мы пока можем извлечь из реакции.

До сих пор считалось, что невозможно достичь момента "приращения энергии", когда мы сможем получать из синтеза больше энергии, чем нужно на него потратить.

Но это больше не так, уверяют стартапы из сферы термоядерного синтеза.

"Это "момент SpaceX" для термоядерного синтеза", - говорит Кристофер Моури, директор канадской компании General Fusion, которая хочет сделать термоядерный синтез коммерчески выгодным в течение следующих пяти лет.

"Это момент, когда зрелость науки сочетается с технологиями XXI века, - продолжает он. - [Термоядерный] синтез уже не "в 30 годах от нас".

Автор фото, TOKAMAK ENERGY

Подпись к фото,

Новейший термоядерный реактор Tokamak Energy

Наука уже сделала свое дело, говорит Уэйд Эллисон, почетный профессор физики в оксфордском колледже Кэбл. Препятствия скорее в практике.

"Мы не можем быть уверены в сроках, но базовые научные вопросы решены, а проблемы - технические, они касаются материалов", - говорит профессор.

В чем проблема?

Основная проблема - как построить для реактора достаточно прочную оболочку, чтобы она смогла сдержать плазму - очень горячий ядерный "бульон", в котором происходит синтез под огромным давлением.

Системы отвода тепловой энергии должны будут выдерживать уровни температуры и перегрузки, похожие на то, что испытывает космический корабль при возвращении на орбиту, говорит профессор Ян Чэпмен, гендиректор Управления по атомной энергии Великобритании (UKAEA).

Потребуются также автоматические системы обслуживания и системы производства, восстановления и хранения топлива.

"UKAEA изучает все эти вопросы и строит новые исследовательские учреждения в научном центре Кулхэм около Оксфорда, чтобы выработать решения вместе с отраслевыми институтами", - говорит профессор Чэпмен.

Что изменилось?

Некоторые частные энергетические компании считают, что они могут справиться с этими проблемами быстрее, используя новые материалы и технологии.

Расположенная в Оксфордшире фирма Tokamak Energy работает над сферическими токомаками (реакторами), которые используют высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) чтобы удерживать плазму в очень сильном магнитном поле.

Автор фото, TOKAMAK ENERGY

Подпись к фото,

Tokamak Energy пытается построить более дешевые и компактные термоядерные реакторы

"Высокая температура" в этой области физики - от минус 70 градусов и ниже.

"Сферический токамак - намного более эффективная геометрическая форма, и мы можем радикально повысить компактность и производительность. А поскольку он еще и меньше, то более мобилен, затраты на сборку ниже", - говорит исполнительный директор Tokamak Energy Джонатан Карлинг.

Компания построила три токамака. Последний из них - ST40 из 30-милиметровой нержавеющей стали с использованием ВТСП-магнитов. В июне он достиг температуры плазмы более 15 млн градусов, что выше температуры центра солнца.

Анализ: "Искусственное солнце Китая"

Корреспондент по вопросам науки и технологий Николай Воронин:

"Китайские ученые на прошлой неделе разогрели плазму до еще более высокой температуры в специальном устройстве EAST, расположенном в городе Хэфэй.

Эксперимент получил название "искусственное солнце Китая", и его основная цель - создание условий, необходимых для управляемого термоядерного синтеза, так что температурные рекорды в некотором смысле побочный эффект.

Электронная температура плазмы, удерживаемой магнитной ловушкой токамака, достигла нового максимума, на некоторое время превысив 100 млн градусов.

Для сравнения: максимальная температура в центре нашей звезды составляет примерно 15 млн градусов".

Британская фирма надеется достичь китайского результата в 100 млн градусов к следующему лету.

"Мы ожидаем, что сможем достичь момента приращения энергии к 2022 году и начать поставки энергии в сеть к 2030-му", - говорит Карлинг.

Тем временем в США Массачусетский технологический институт (МТИ) совместно с недавно созданной компанией Commonwealth Fusion Systems (CFS) работает надо созданием токамака в форме тороида под названием Sparc. В нем также будут установлены магнитные ловушки для плазмы.

Проект частично финансируется фондом Breakthrough Energy Ventures, которым руководят Билл Гейтс, Джефф Безос, Майкл Блумберг и другие миллиардеры. Группа разработчиков надеется сделать термоядерные реакторы достаточно компактными, чтобы их можно было устанавливать на фабриках и транспортировать для установки на производственной площадке.

Эти частные инициативы бросают вызов проекту ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор), флагманскому международному проекту в этой сфере с участием 35 стран.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Реактор ITER не будет достроен до 2025 года

ITER, что на латыни также значит "путь", строит крупнейшую экспериментальную термоядерную установку в мире. Однако завершение строительства не ожидается до 2025 года, а после этого проект ждет еще долгий путь до коммерциализации.

"Участники ITERпо-разному оценивают, насколько срочно нужно перейти к термоядерной энергии как части будущего чистой энергетики, - сказал Би-би-си пресс-секретарь проекта. - Кто-то ждет электричества с термоядерных реакторов до 2050 года, кто-то - только во второй половине века".

Но новички в этой сфере считают, что могут справиться лучше.

"С технологией ВТСП-магнитов термоядерный реактор может быть намного, намного меньше - Sparc может быть в 64 раза меньше ITER по объему и массе", - говорит Мартин Гринвальд, замдиректора центра исследований плазмы и термоядерного синтеза МТИ.

Меньший размер означает меньшие издержки, что открывает путь для небольших и гибких организаций, добавляет Гринвальд.

Но все участники, кажется, согласны, что работа в ITER, в Кулхэме и частном секторе дополняют друг друга.

"В конце концов, у нас общая мечта - выработанное термоядерным путем электричество как неотъемлемая часть будущего чистой энергетики", - добавил пресс-секретарь ITER.

Журнал Международная жизнь - Термоядерная мечта. Станет ли в 2021 году человечество ближе к дешевой энергии?

Мечта о дешевой энергии появилась у человечества вместе с развитием первых ремесел. Мускульная сила людей и животных, ветер, вода, пар – все это последовательно ставилось на службу человечеству. В 19 веке началось повсеместное внедрение электрической энергии, однако ее производство точно так же требовало силы пара и воды. Люди постоянно задумывались о сверх дешевой и экологически чистой энергии, способной удовлетворить растущие потребности планеты в электричестве. Тем более, еще в конце 19 века ученые начали предупреждать землян – запасы нефти, газа, угля не безграничны. Вспомним, цитату нашего соотечественника Менделеева – «топить нефтью, все равно, что топить ассигнациями».

В 1950-х человечеству удалось окончательно приручить энергию атома. Из разрушительного пламени ядерных взрывов и желания обладать сверхоружием родилась атомная энергетика. Однако, успехи в области неконтролируемой термоядерной реакции, родили новую мечту, о энергетике термоядерной. Мечту, которую пока не удалось реализовать.

Уже в 1950-х фантасты и футурологи описывали, и возможности, которые откроет миру дешевая энергия, и потенциальные угрозы, исходящие от термоядерных электростанций. Достаточно вспомнить повесть Роберта Хайнлайна, классика мировой фантастики «Взрыв всегда возможен». Но, хотя первый магнитный термоядерный реактор, токамак, сокращенное от «Тороидальная Камера Магнитная Катушка», был построен в СССР еще в 1954 году, доступной термоядерная энергия пока не стала. Оптимизм середины 20го века сменился осознанием, что термоядерная энергия теоретически доступна, а на практике до ее освоения в коммерческих целях еще очень далеко. Человечеству постоянно кажется, что оно вплотную подошло к коммерческой эксплуатации термоядерного синтеза, но проходят десятилетия, а дешевой энергетики не появляется.

Профессионалы же настроены более скептически. В интервью «Российской газете» доктор наук Виктор Ильгисонис, один из авторов доклада «Перспективы термоядерных исследований», заявил: «установки термоядерного синтеза, которые сооружаются сегодня, находятся на пределе технологических возможностей».

Собственно, если упрощать, в этом и есть проблема современной термоядерной энергетики, рентабельных реакторов для ее коммерческого использования не существует… пока. Вместе с тем, тот же Ильгисонис, процитировал одного из первых руководителей советского термоядерного проекта – академика Арцимовича, который в свое время отметил, что «эта проблема обязательно будет решена, когда термоядерная энергия станет совершенно необходима человечеству, потому что принципиальных затруднений на этом пути, по-видимому, нет». Спустя почти полвека после смерти легендарного академика экономическая потребность человечества в термоядерной энергии значительно возросла, а многие эксперты уже стали задумываться, как эта «шкура не убитого медведя» изменит мир.

Во-первых, термоядерная энергия потенциально в разы дешевле атомной, а тем более получаемой на ТЭС. По подсчетам ряда ученых, две тонны гелия-3, разогретые в токамаке или стеллараторе [i] (модернизированный термоядерный реактор), могут дать столько же энергии, сколько 30 млн тонн нефти, сжигаемой в печах ТЭС. И это, не говоря, про полное отсутствие выбросов в атмосферу. Как следствие, термоядерная энергетика приведет к бурному развитию дешевого электротранспорта, что вновь окажет благотворное влияние на климат и атмосферу нашей планеты. А, к примеру, если сейчас пересадить все человечество на электромобили, то действующих мощностей для их зарядки просто не хватит.

Во-вторых, термоядерные станции значительно безопаснее атомных. В случае сбоев в работе реактора, маленькие искусственные солнца просто погаснут, а не приведут к взрывам и радиоактивным заражениям.

В-третьих, потенциальная компактность термоядерных реакторов будущего и их безопасность позволит обеспечить дешевой, безопасной энергией густонаселенные, но экономически депрессивные регионы планеты – Африку, ряд стран Юго-Восточной Азии и Латинской Америки. А это – повышение уровня жизни, развитие промышленности и вновь, решение экологических проблем.

Соответственно, появление дешевой и безопасной энергии, по мнению экспертов-оптимистов, приведет почти к «золотому веку» человечества. Дешевая, безопасная энергия вызовет падение цен на большинство товаров и услуг, расширит мобильность населения, сделает возможным энергозатратные производства.

Наконец, термоядерная реакция тесно связана с еще одной мечтой человечества, мечтой о звездах. Термоядерный синтез позволит создать новые типы двигателей, которые сделают солнечную систему максимально доступной для человечества и приблизят его к звездам. Так, эксперты «Форбса» считают, что первые полеты таких кораблей за пределы солнечной системы при существующем росте технологий могли бы состояться к 2100 году [ii].

Дополнительный интерес к термоядерной проблематике вызвал и очередной ежегодный прогноз датского «Saxo bank». Скандинавские эксперты из года в год публикуют, зачастую, несколько шокирующие экспертные оценки будущего года. Сбывается из них менее 50%, однако, многие темы, которые поднимают датские аналитики действительно становятся на будущий год крайне актуальными. И вот, в прогнозе 2021 года появилось предположение, что буквально на следующий год человечество совершит технологический прорыв и подойдет вплотную к коммерческому использованию термоядерной энергии. Более того, датчане предположили, что ряд стран введет безусловный базовый доход, позволяющий оживить экономику после пандемии Covid-19, и поддержать оставшихся без работы граждан. Введение же подобного дохода, видимо, станет возможным за счет резкого удешевления энергии. Подобные пророчества вызвали здоровый скептицизм ряда экспертов, однако и инициировали дискуссию о будущем управляемого термоядерного синтеза. Увы, большинство серьезных ученых возлагают надежды на международный реактор ITER во Франции и ждут существенных прорывов не ранее 2025 года. Этот совместный международный проект, переговоры о котором начались еще в 1980-х годах реализуется семью основными партнерами (Европейский Союз, Индия, Китай, Республика Корея, Россия, США, Япония) на французском Лазурном берегу. 60-метровый токамак, весом более 23000 тонн, будет вырабатывать энергию путем реакции синтеза с тяжелыми изотопами водорода при температуре более 100 млн градусов [iii]. Всего 1 грамм топлива из смеси дейтрия и трития, даст такое же количество энергии, как 8 тонн нефти. Впрочем, пока предполагается, что коммерческое производство электроэнергии он начнет лишь в 2040 году. При этом, разработчики ITER осторожно прогнозируют, что на основе исследований их команды к 2060 году удастся разработать по-настоящему рентабельный промышленный термоядерный реактор [iv]. Так что, дешевой энергии нам ждать минимум 40 лет. Хотя оптимистичные китайцы, надеясь на принципиально новые разработки, планируют начать полномасштабную эксплуатацию термоядерной энергии на 10 лет раньше [v].

Вместе с тем, несколько успешно реализованных в 2020 году проектов, а также продолжение работы над ITER в наступающем году действительно станут одним из важных факторов развития международного научного сотрудничества. Так, 4 декабря китайские физики запустили термоядерный реактор HL-2M, в котором температура плазмы достигает 150 миллионов градусов [vi]. А российский Курчатовский институт планирует в ближайшее время осуществить запуск установки Т-15МД [vii]. Не остались в стороне и США, где, в начале декабря, ученые, после 2-летнего обсуждения, представили 10-летний план для Федерального консультативного комитета по наукам о термоядерной энергии. В нем они призывают национальное министерство энергетики поддержать строительство прототипа термоядерной электростанции к 2040 году. Подобные инфоповоды подогревают «термоядерный ажиотаж» и, зачастую, вызывают дискуссии о возможной монополии одного государства на термоядерную энергию. Однако, хотя многие страны хотят вырваться вперед в сфере разработки технологий получения дешевой энергии, в отличие от «гонки вакцин», в мире ядерной физики давно существует понимание, что серьезные результаты могут быть достигнуты только при совместных исследованиях. Это хорошо иллюстрирует работа международной команды на Большом андронном коллайдере. Поэтому, безусловно, в 2021 году для России, имеющей уникальный опыт и давние традиции изучения термоядерного синтеза, сохраняется отличная возможность для продвижения своего имиджа через «научную дипломатию». Хотя, к сожалению, дешевая энергия в ближайшие годы продолжит оставаться мечтой.

 

Мнение автора может не совпадать с позицией Редакции

 

[i] https://life.ru/p/1220245

[ii] https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/07/28/could-we-achieve-interstellar-travel-using-only-known-physics/?sh=cdffdf3403a6

[iii] https://tass.ru/info/2292323

[iv] https://tass.ru/info/2292323

[v] https://3dnews.ru/1027110/kitay-zagigaet-iskusstvennoe-solntse-vvedyon-v-ekspluatatsiyu-termoyaderniy-reaktor-hl2m-tokamak

[vi] https://www.vesti.ru/nauka/article/2495494

[vii] http://nrcki.ru/product/press-nrcki/press-nrcki-v-kurchatovskom-institute-projden-eshche-odin-ehtap-na-puti-k-tokamaku-novogo-pokoleniya-40585.shtml

Читайте другие материалы журнала «Международная жизнь» на нашем канале Яндекс.Дзен.

Подписывайтесь на наш Telegram – канал: https://t.me/interaffairs

Перспективы развития ядерной энергетики в термоядерном реакторе

Перспективы развития ядерной энергетики в мире зависят от сегодняшних реалий в необходимости безопасного и постоянного удаления ядерных отходов высокого уровня и риск непреднамеренных радиоактивных выбросов. Перспективные новые типы ядерных реакторов направлены на устранение или, по крайней мере, снижение одного или нескольких из этих рисков.

К числу проблем, стоящих перед нынешними тепловыми реакторами, относится и нехватка расщепляющегося материала. Перспективы развития ядерной энергетики предусматривают развитие новых термоядерных реакторов.

Термоядерные реакторы

Многие недостатки реакторов деления, будь то тепловые или реакторы-размножители на быстрых нейтронах, хорошо известны из-за их обширного опыта эксплуатации.

Термоядерные реакторы, поскольку пока они существуют только как возможность, не страдают от реальных негативных последствий.

Термоядерная энергия образуется путем слияния двух легких атомов, например дейтерия и трития, двух относительно редких изотопов водорода.

Термоядерный синтез – это то, что приводит в движение огромную энергию Солнца, и условия, подобные тем, что в ядре Солнца, будут необходимы для успешного синтеза.

Одно из преимуществ термоядерного синтеза перед реакторами деления состоит в том, что радиоактивное излучение намного меньше.

Существуют основные три проблемы для термоядерной энергетики как:

  • нагрев большого объема (возможно, 1000-3000 м3) плазмы до температуры свыше одного миллиона ºC. Сверхгорячая плазма должна храниться в “магнитной бутылке”, называемой токамак, чтобы предотвратить ее соприкосновение со стенками реактора и охлаждение
  • доказательство того, что материалы, выбранные для стенок реактора, достаточно прочны, чтобы выдержать интенсивный поток нейтронов и высокие температуры
  • обеспечение того, чтобы неизбежно сложная система могла работать непрерывно без поломок.

Перспективный экспериментальный термоядерный реактор

Международный экспериментальный реактор токамак (ITER) был разработан, чтобы помочь обеспечить решения этих проблем, и работа по подготовке площадки началась в Кадараше на юге Франции. Но уже сейчас стоимость проекта удвоилась по сравнению с оценкой 2006 года в 7 миллиардов долларов США, а предполагаемая дата проведения первых экспериментов, способных подтвердить термоядерный синтез, была перенесена с 2018 на 2025 год. Эти ожидаемые задержки и инфляция издержек еще раз иллюстрируют утверждение некоторых ученых о чрезмерном оптимизме в отношении перспективы развития ядерной энергетики.

Некоторые исследователи выступили с еще более фундаментальной критикой термоядерной энергии.

Вторя более раннему замечанию Эйнштейна, но, возможно, с большим количеством доказательств в поддержку некоторых точек зрения, что в настоящее время нет интереса со стороны коммунальных компаний к горячему синтезу, и что эта ситуация  вряд ли изменится в обозримом будущем.  Только деньги налогоплательщиков будут доступны для развития термоядерного синтеза на многие десятилетия вперед. При этом частные инвесторы не заинтересованы в такого типа проектах. Коммерческие реакторы деления последовали за атомными бомбами всего лишь на несколько лет, термоядерная (водородная) бомба начала 1950-х годов после более чем полувека не была заменена коммерческой термоядерной энергией. Физики утверждают, что  объяснение имеет больше общего с инженерией, чем с физикой.

Термоядерная электростанция потребует объема активной зоны примерно в 150 раз больше, чем реактор деления со сравнимой мощностью. Это, в свою очередь, требует очень большой площади (и объема) окружающего материала, чтобы поглотить нейтроны высокой энергии, выпущенные реакцией дейтерия и трития. Из-за нейтронной бомбардировки дорогостоящие покровные материалы станут хрупкими и потребуют регулярной замены в течение всего срока службы реактора. В результате облучения, демонтаж, снятие и замена одеяла должны будут производиться дистанционно.

Стоимость термоядерной энергии будет далеко за пределами конкурентного ценового диапазона, в то время как она должна быть намного ниже, учитывая связанные с этим финансовые риски.

Неопределенное ядерное будущее

Перспективы развития ядерной энергетики имеют большую неопределенность, связанную с рядом вопросов, важных для будущего. Мы плохо представляем себе стоимость новых атомных станций, даже для тепловых реакторов, хотя уже работает более 450 реакторов.

Кроме того, если ядерная энергетика должна играть важную роль в будущей энергетике, то нынешние доминирующие тепловые реакторы являются тупиковой технологией. Вместо этого в больших количествах потребуются реакторы-размножители, которые в принципе могут использовать гораздо более высокую долю энергетического потенциала урана.

Таким образом, перспективы развития ядерной энергетики радикально отличаются от существующих.  Это снижает ценность опыта эксплуатации и проектирования, накопленного за первые полвека существования атомной энергетики. В некоторых из этих предложенных новых конструкций рабочие температуры были увеличены до 1000 ºC, что ставит новые вопросы о характеристиках материалов и безопасности реактора. Даже инновационные конструкции, предлагаемые для новых тепловых реакторов, могут сильно отличаться от существующих конструкций.

Нет единого мнения о рисках, связанных с уровнем радиации

Количество раковых заболеваний, которые уже были вызваны выбросами радиации в Чернобыле, оспаривается. Окончательные последствия еще более неопределенны, потому что раковые заболевания могут развиваться в течение нескольких десятилетий после облучения, как показал опыт выживших в Хиросиме. Расчет дозы, полученной населением от данного выброса различных радиоизотопов, также не является простым вычислением. Это существенно зависит от того, как радиоактивный материал транспортируется через окружающую среду. Были случаи, когда радиоактивные материалы вывозились из районов, недоступных для людей, через птичий и кроличий помет.

Ряд исследований показал, что решение одной проблемы в реакторной технологии часто приводит к появлению нескольких новых. Увеличение выгорания ядерного топлива способствует развитию экономики и сокращению объемов производства урана и отходов. Недостатком является то, что это может отрицательно сказаться на безопасности реактора, поскольку оно также увеличивает радиоактивность и тепловыделение отходов, затрудняя их обработку и окончательное удаление. Как это часто бывает в промышленности, попытки снизить затраты могут привести к компромиссам в области безопасности. Некоторые из предложенных новых конструкций реакторов могут снизить затраты за счет снижения надежности дорогостоящего здания защитной оболочки. Однако прочная железобетонная оболочка предотвратила гораздо более серьезное высвобождение радиоактивности.

Сравнение с другими источниками энергии

Чтобы понять перспективы развития ядерной энергетики и определиться с энергией будущего поучительно сравнить опыт атомной энергетики с другими источниками энергии.

Это правда, как утверждают сторонники ядерной энергетики, что уголь является очень загрязняющим топливом, даже производя некоторую радиоактивность в дополнение к его большим выбросам CO2.

Но опасности, связанные с выработкой энергии на ископаемом топливе, сегодня хорошо известны и не вызывают сомнений. Отвод топлива от электростанции, работающей на ископаемом топливе, – это простая кража, а не вопрос международной безопасности. Сжигание ископаемого топлива также не оставляет отходов, которые должны быть изолированы от контакта с человеком на период более длительный, чем современные люди ходили по земле.

Хотя крупные гидроэлектростанции, как и атомные электростанции, могут строиться годами, это не относится к таким важным источникам энергии, как ветер или солнечная энергия.

Большинство ветряных электростанций и фотоэлектрических установок могут генерировать энергию и давать доход в течение года с момента начала строительства. Оба эти источника модульны и при массовом непрерывном изготовлении их стоимость невелика.

Таким образом, перспективы развития ядерной энергетики достаточно туманны и сильно зависят от развития технологий и происходящих экономических процессов в мире.

Эра термоядерного синтеза

Международный проект ИТЭР
International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) — самый крупный в мире токамак, сложнейшая термоядерная экспериментальная машина, призванная продемонстрировать осуществимость технологий термоядерного синтеза и доказать, что термоядерная реакция может быть управляемой. Идея ИТЭР состоит в том, чтобы на выходе вырабатывать в 10 раз больше энергии, чем на входе. Результаты экспериментов с плазмой, полученные на ИТЭР, помогут в дизайне демонстрационного коммерческого реактора DEMO (DEMOnstration Power Station), строительство которого планируется завершить в 2050 году. Основан проект ИТЭР на российской концепции токамака с магнитным удержанием плазмы.

Строительные работы ИТЭР официально начались в октябре 2007 года, после ратификации cоглашения о проекте всеми сторонами. Стройка развернулась в Кадараше, на юге Франции. Семь партнеров (Китай, Корея, Индия, Россия, Япония, США и Европейский союз) согласились инвестировать в проект свои интеллектуальные и финансовые ресурсы. При этом 45,5% финансирования осуществляет Европейский союз, поскольку ИТЭР строится на территории Франции; остальные участники вносят чуть больше 9%. Львиная доля вложений приходит не в денежном выражении, а в виде компонентов и оборудования для реактора.

Изначальная стоимость ИТЭР оценивалась в € 5 млрд, но возросла уже в четыре раза — и эта цифра еще не окончательная. А поскольку центральная организация ИТЭР не контролирует расходы семи партнеров, определить фактическую стоимость проекта крайне сложно.

Изготовление компонентов, производство оборудования и разработка диагностик для ИТЭР распределены между всеми участниками консорциума. В США, в штате Сан-Диего, разрабатывают центральный соленоид.

Над дизайном основного элемента реактора, криостата, работала Индия, присоединившаяся к консорциуму в 2005 году. Именно криостат будет обеспечивать охлаждение сверхпроводников магнитной системы до 5K (268 °C). Основа криостата, весом 1250 тонн, будет одной из самых тяжелых одиночных нагрузок при сборке машины весом 23 тыс. тонн.

Европейский союз ответственен за вакуумную камеру, однако для оптимизации проекта и минимизации задержек часть работ была поручена Корее, которая продемонстрировала высочайший уровень собственных технологий, запустив токамак со сверхпроводящей магнитной системой KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Advanced Research), получивший первую плазму в 2008 году, и продемонстрировав рекордную 70-секундную высокопроизводительную плазму в 2016 году.

Китай вместе с Россией работают над созданием сверхпроводников, первая поставка которых была осуществлена в июне 2014 года.

В России над проектом ИТЭР работают около 30 институтов и организаций. Шесть кольцеобразных полоидальных магнитов с полевой катушкой будут окружать машину ИТЭР для формирования плазмы и обеспечения ее стабильности путем отстранения от стенок вакуумного реактора. Полоидальная полевая катушка № 1 (PF1) строится на Средне-Невском судостроительном заводе в Санкт-Петербурге. Россия отвечает за широкий спектр электротехнических компонентов, из которых состоят коммутационные сети, блоки быстрого разряда, комплекты поставки измерительной аппаратуры. Налажено производство сборных шин и переключающих сетевых резисторов, завершается программа НИОКР для компонентов блока быстрой разгрузки.

Японские инженеры и ученые также работают над магнитной системой, в частности, над дизайн-проектом катушек тороидального поля и над получением сверхпроводящих ниобий-оловянных стрендов. Получение первой плазмы на установке ИТЭР запланировано на 2025 год, выход на полную мощность — на 2035 год. Недавно о желании присоединиться к проекту заявили Австралия и Иран.

Источник топлива для термоядерного реактора практически неисчерпаем, поскольку дейтерий присутствует в морской воде, а тритий получают в процессе работы реактора: он образовывается в токамаке, когда выходящие из плазмы нейтроны взаимодействуют с изотопом ⁶Li, содержащимся в бланкете. Это еще одна из важнейших задач, которую должен решить ИТЭР. Кстати, бланкет и дивертор — основные плазменные компоненты. Следует отметить, что первая стенка реактора, та, что ближе всего к плазме, всего в трех метрах от нее, — неотъемлемая часть бланкета. Идея разделения этих двух компонентов была отброшена в 1980-х годах; ученые пришли к их унификации для удобного и безопасного обслуживания.

Термоядерная энергетика: состояние и перспективы

 

Когда в пятидесятых годах прошлого века Землю потрясли мощные взрывы термоядерных бомб, казалось, что до мирного использования энергии синтеза ядер осталось совсем немного: одно или два десятилетия. Для подобного оптимизма имелись и основания: с момента применения атомной бомбы до создания реактора, вырабатывающего электричество, прошло всего 10 лет.

Но задача обуздания термоядерного синтеза оказалась необычайно сложной. Десятилетия проходили одно за другим, а доступа к неограниченным запасам энергии так и не удалось получить. За это время человечество, сжигая ископаемые ресурсы, загрязнило выбросами атмосферу и перегрело ее парниковыми газами. Катастрофы в Чернобыле и на Фукусиме-1 дискредитировали ядерную энергетику.

Что же помешало освоить столь перспективный и безопасный процесс термоядерного синтеза, который навсегда мог бы снять проблему обеспечения человечества энергией?

Изначально было понятно, что для протекания реакции необходимо сблизить ядра водорода настолько плотно, чтоб ядерные силы могли образовать ядро нового элемента – гелия с выделением значительного количества энергии. Но ядра водорода отталкиваются друг от друга электрическими силами. Оценка температур и давлений, при которых начинается управляемая термоядерная реакция показала, что ни один материал не сможет устоять против подобных температур.

По тем же причинам был отвергнут и чистый дейтерий – изотоп водорода. Потратив миллиарды долларов и десятилетия времени, ученые наконец смогли зажечь термоядерное пламя на очень короткое время. Осталось научиться удерживать плазму термоядерного синтеза достаточно долго. От компьютерного моделирования необходимо было переходить к строительству реального реактора.

На этом этапе стало понятно, что усилий и средств отдельного государства не хватит для постройки и эксплуатации опытных и опытно-промышленных установок. В рамках международного сотрудничества было решено реализовать проект экспериментального термоядерного реактора стоимостью больше 14 миллиардов долларов.

Но в 1996 году США прекратила свое участие и, соответственно, финансирование проекта. Некоторое время реализация шла за счет средств Канады, Японии и Европы, но до строительства реактора дело так и не дошло.

Второй проект, тоже международный, реализуется во Франции. Длительное удержание плазмы происходит за счет специальной формы магнитного поля – в виде бутылки. Основу этого способа заложили еще советские физики. Первая установка типа «Токамак» должна дать на выходе больше энергии, чем тратится на поджиг и удержание плазмы.

К 2012 году монтаж реактора должны были закончить, но сведений об успешной эксплуатации пока нет. Возможно, экономические потрясения последних лет внесли свои коррективы и в планы ученых.

Трудности с достижением управляемого термоядерного синтеза породил множество спекуляций и ложных сообщений о так называемой «холодной» термоядерной реакции слияния ядер. При том, что никаких физических возможностей или законов до сих пор не нашли, многие исследователи утверждают о ее существовании. Ведь ставки слишком велики: от Нобелевских премий для ученых до геополитического господства государства, овладевшего подобной технологией и получившего доступ к энергетическому изобилию.

Но каждое такое сообщение оказывается преувеличенным или откровенно ложным. Серьезные ученые относятся к существованию подобной реакции со скептицизмом.

Реальные возможности овладения синтезом и начала промышленной эксплуатации термоядерных реакторов отодвигаются на середину 21 века. К этому времени удастся подобрать необходимые материалы и отработать безопасную его эксплуатацию. Поскольку подобные реакторы будут работать с плазмой очень низкой плотности, безопасность термоядерных электростанций будет гораздо выше, чем атомных станций.

Любое нарушение в зоне реакции сразу «затушит» термоядерное пламя. Но пренебрегать мерами безопасности не стоит: единичная мощность реакторов будет настолько велика, что авария даже в контурах отбора тепла может повлечь и жертвы, и загрязнение окружающей среды. Дело осталось за малым: подождать 30-40 лет и увидеть эпоху энергетического изобилия. Если доживем, конечно.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://theorphysics.info/

Дата добавления: 21.01.2014

Перспектива термоядерной энергии - источник энергии будущего

Предназначены всегда быть источником энергии будущего?

Автор: Дерек А. Сазерленд, научный сотрудник ASP

В сообществе исследователей и разработчиков термоядерного синтеза есть давняя шутка, что термоядерный синтез - это источник энергии будущего, и так будет всегда. С точки зрения стороннего наблюдателя легко оправдать уровень скептицизма некоторых людей относительно того, станет ли термоядерный синтез когда-либо жизнеспособным источником энергии, чтобы вытеснить традиционные.Чрезмерно длительные сроки, большие затраты на исследования и разработки, научные и инженерные неудачи, а также отсутствие демонстрации управляемой термоядерной электростанции, производящей электричество, могут указывать на неудачу для неподготовленного глаза.

Проект ИТЭР

Однако при оценке будущей жизнеспособности любой зарождающейся технологии важно учитывать как достижения, так и неудачи, а их сумма определяет чистый прогресс. Выполнение различных подходов к термоядерной энергии, от магнитного до инерционного удержания и различных промежуточных концепций, значительно продвинулось за последние десятилетия.Недавняя статья д-ра Стюарта Прагера и д-ра Майкла Царнсторфа описывает эти достижения и будущие возможности. В качестве одного примера, характеристики плазмы и реакторная технология значительно улучшились для ведущего кандидата на регулируемую термоядерную мощность, называемого токамаком. Первый термоядерный реактор с чистым усилением под названием ITER, основанный на концепции токамака, строится и должен производить 500 мегаватт (МВт) термоядерной энергии. ИТЭР рассчитан на увеличение мощности в десять раз, а это означает, что вырабатываемая мощность термоядерного синтеза будет примерно в десять раз больше, чем требуется для поддержания работы реактора.ИТЭР, несмотря на то, что сроки его реализации были значительно отложены, и когда-либо имел место перерасход средств, станет колоссальным шагом вперед в доказательстве того, что термоядерный синтез является научно жизнеспособным источником энергии. Короче говоря, рассматривая достижения и неудачи в области термоядерного синтеза в целом, мы определенно продвигаемся вперед.

Одна проблема, которая не может быть решена с помощью проекта ИТЭР, но будет становиться все более важной по мере продвижения сообщества к демонстрации коммерческой электростанции, - это экономическая жизнеспособность термоядерной энергии.Даже пока строится ИТЭР и прилагаются большие усилия для обеспечения успеха проекта, различные организации в секторе термоядерного синтеза изучают усовершенствованные концепции, которые могли бы сделать термоядерный синтез более экономически конкурентоспособным по сравнению с традиционными источниками энергии, если не превзойти их. Кроме того, поскольку возобновляемые источники энергии станут дешевле в течение следующих нескольких лет или десятилетий, для программ исследований в области термоядерной энергии станет еще более важным стремиться как к научному, так и к экономическому успеху.

Дизайн ARC MIT

Есть несколько групп, стремящихся разработать более рентабельные концепции термоядерной энергии; приведение лишь нескольких примеров демонстрирует заметное разнообразие идей в этом исследовательском сообществе. Первая - это концепция токамака с сильным полем под названием ARC от Массачусетского технологического института, которая использует очень сильные магнитные поля для достижения большой плотности термоядерной мощности, что позволяет представить себе реакторы токамака меньшего размера. Сферические токамаки, которые используют более высокое давление плазмы и более эффективное использование магнитных полей, такие как NSTX-U в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) и на международных площадках, таких как MAST-U в Великобритании, также обеспечивают потенциальную экономию затрат за счет более компактные размеры.Другие концепции магнитного синтеза, такие как стеллараторы, которые используют некоторую разновидность квазисимметрии для улучшения характеристик плазмы, такие как HSX в Университете Висконсина или сферомаки в Университете Вашингтона и CTFusion, а также конфигурации с обращенным полем в Tri-Alpha Energy. Эти упомянутые концепции, по крайней мере, частично направлены на снижение затрат за счет более простого и компактного реактора

.

Проект реактора FRC Tri Alpha

дизайнов. Еще один многообещающий подход к термоядерному синтезу, который может оказаться более рентабельным, чем основные подходы, - это магнито-инерционный синтез (MIF), который исследуется как государственными, так и частными учреждениями, такими как MagLIF в Национальной лаборатории Сандиа, и акустически взрывающийся намагниченный плазменные мишени в General Fusion в Канаде.

Разработка любой новой технологии связана со значительным риском; К сожалению, реальность такова, что эти концепции, наряду с другими, не упомянутыми просто для краткости, могут не оказаться успешными путями к экономичной термоядерной энергии. Из-за этой неопределенности сложно убедить политиков, акционеров и общественность в том, что на развитие этой довольно труднодостижимой формы энергии следует направить больше капитала. Однако, как хорошо понимает любой инвестор, повышенный риск должен уравновешиваться возможностью получения более щедрой прибыли, как и в случае с термоядерной энергией.

Представьте себе мир, в котором экономичная термоядерная энергия была разработана и представлена ​​на рынке. Первые реакторы достигли паритета стоимости с ископаемым топливом после того, как были оптимизированы цепочки поставок и рационализирован производственный процесс. Несколько компаний получили права на строительство термоядерных реакторов различных типов. После вывода из эксплуатации всех заводов по производству ископаемого топлива эти компании участвуют в конкурсных торгах на строительство термоядерной электростанции, которая займет ее место. Поскольку термоядерный синтез является источником энергии при базовой нагрузке, такие реакторы требуют минимальных изменений в имеющейся в настоящее время сетевой инфраструктуре.По мере строительства большего количества термоядерных реакторов выбросы углерода резко сокращаются, поскольку большая часть мирового производства электроэнергии приходится на термоядерный синтез. Параллельно с появлением значительно более дешевых и эффективных фотоэлектрических технологий, солнечная энергия растет и работает в тандеме с термоядерными электростанциями. Уменьшение требований к хранению энергии из-за использования обоих источников энергии ускоряет переход к полностью зеленой энергосистеме. Увеличение использования электромобилей дополнительно снижает антропогенные выбросы парниковых газов, улучшая при этом качество воздуха в мегаполисах по всему миру.Более того, из-за экономической конкурентоспособности термоядерного синтеза, солнечной энергии и других возобновляемых источников энергии этот переход не зависит от политического ветра субсидий или увеличения платежей населения за счет более высоких цен на электроэнергию. Началась новая эра чистой, безопасной и дешевой энергии.

Я могу представить будущее, которое я описал, как реальность. Это видение - одна из причин, по которой я решил специализироваться на исследованиях и разработках в области термоядерного синтеза, даже во времена, когда уровень финансирования неопределен, а научные препятствия кажутся непреодолимыми.Я работаю над этой проблемой из-за огромных перспектив использования термоядерной энергии и ее потенциала для значимого положительного воздействия на наш мир. По моему скромному мнению, потенциальные выгоды от инвестиций в технологии термоядерного синтеза намного перевешивают риски. Мы, как сообщество по термоядерному синтезу, должны уделять больше внимания не только основным исследовательским программам, ориентированным на успех проекта ИТЭР, но также и альтернативным концепциям, которые потенциально могут стать более рентабельными путями к коммерческой термоядерной электростанции. .Мы не должны рассматривать синтез как конкуренцию возобновляемым источникам энергии; в конечном итоге он будет работать вместе с ними. Самое главное, мы должны стремиться работать вместе, внутри нашего собственного сообщества и за его пределами, чтобы убедить большее количество людей в потенциале термоядерной энергии как революционного источника энергии, который может помочь сделать двадцать первый век более мирным, чистым и процветающим один, чем последний.

Fusion - действительно источник энергии будущего, но не всегда будет таковым .

Исследования показывают, что компактный термоядерный реактор

«очень вероятно сработает»

Ученые, разрабатывающие компактную версию термоядерного реактора, показали в серии исследовательских работ, что он должен работать, возрождая надежды на то, что давно неуловимая цель имитации способ, которым солнце производит энергию, может быть реализован и, в конечном итоге, внесет свой вклад в борьбу с изменением климата.

Строительство реактора под названием Sparc, разрабатываемого исследователями Массачусетского технологического института и дочерней компанией Commonwealth Fusion Systems, как ожидается, начнется весной следующего года и займет три или четыре года, заявили исследователи и представители компании. .

Несмотря на то, что многие серьезные проблемы остаются, компания заявила, что за строительством последуют испытания и, в случае успеха, строительство электростанции, которая могла бы использовать термоядерную энергию для выработки электроэнергии, начиная с следующего десятилетия.

Этот амбициозный график намного быстрее, чем у крупнейшего в мире проекта термоядерной энергии, многонационального проекта на юге Франции под названием ИТЭР для Международного экспериментального термоядерного реактора. Этот реактор строится с 2013 года, и, хотя он не предназначен для выработки электроэнергии, ожидается, что к 2035 году он будет производить реакцию термоядерного синтеза.

Боб Мамгаард, исполнительный директор Commonwealth Fusion и один из основателей компании, сказал, что цель проекта Sparc - вовремя разработать термоядерный синтез, чтобы он сыграл свою роль в смягчении последствий глобального потепления. «Мы действительно сосредоточены на том, чтобы как можно быстрее получить термоядерную энергию», - сказал он.

Термоядерный синтез, в котором легкие атомы объединяются при температурах в десятки миллионов градусов для высвобождения энергии, стал для всего мира способом преодолеть последствия производства электроэнергии для изменения климата.

Подобно обычной ядерной электростанции деления, которая расщепляет атомы, термоядерная установка не будет сжигать ископаемое топливо и не будет производить выбросы парниковых газов. Но его топливо, обычно изотопы водорода, было бы гораздо больше, чем урана, используемого на большинстве атомных станций, а синтез генерировал бы меньше и менее опасен радиоактивности и отходов, чем установки деления.

Но препятствия на пути создания машины, способной создавать термоядерную плазму и управлять ею - клубящимся сверхгорячим облаком атомов, которое повреждает или разрушает все, к чему прикасаются, - огромны.

Некоторые ученые, которые десятилетиями работали над термоядерной энергией, говорят, что, хотя они с энтузиазмом относятся к перспективам Sparc, график может быть нереальным.

«Чтение этих документов дает мне ощущение, что они собираются получить контролируемую термоядерную термоядерную плазму, о которой мы все мечтаем», - сказал Кэри Форест, физик из Университета Висконсина, не участвующий в проекте. «Но если бы я оценил, где они собираются быть, я бы дал им коэффициент два, который я даю всем своим аспирантам, когда они говорят, сколько времени это займет.

Sparc будет намного меньше, чем ITER - размером с теннисный корт по сравнению с футбольным полем, - сказал доктор Мумгаард, - и намного дешевле, чем международные усилия, которые, по официальным оценкам, обойдутся примерно в 22 миллиарда долларов, но могут в конечном итоге будут намного дороже. Компания Commonwealth Fusion, основанная в 2018 году и насчитывающая около 100 сотрудников, на данный момент привлекла 200 миллионов долларов.

С тех пор, как почти столетие назад начались эксперименты по термоядерному синтезу, перспектива создания практического термоядерного устройства, которое может производить больше энергии, чем используется, оставалась неуловимой.До термоядерной энергии всегда казалось, что до нее «всего несколько десятилетий».

Это может оказаться правдой и в этом случае. Но в семи рецензируемых статьях, опубликованных во вторник в специальном выпуске The Journal of Plasma Physics, исследователи изложили доказательства того, что Sparc добьется успеха и будет производить в 10 раз больше энергии, чем потребляет.

Исследование «подтверждает, что проект, над которым мы работаем, скорее всего, будет работать», - сказал Мартин Гринвальд, заместитель директора Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института и один из ведущих ученых проекта.Доктор Гринвальд является основателем Commonwealth Fusion, но в настоящее время не связан с компанией.

Sparc использует тот же тип устройства, что и ИТЭР: токамак, или камера в форме пончика, внутри которой происходит реакция синтеза. Поскольку плазменное облако настолько горячее - горячее, чем солнце, - оно должно удерживаться магнитными силами.

ИТЭР делает это с помощью огромных электромагнитных катушек, содержащих сверхпроводящие провода, которые необходимо охлаждать жидким гелием.

Sparc использует преимущества новой технологии электромагнитов, в которой используются так называемые высокотемпературные сверхпроводники, которые могут создавать гораздо более сильное магнитное поле.- сказал Гринвальд. В результате плазма намного меньше.

Документы показывают, что «эта высокопольная трасса все еще выглядит жизнеспособной», - сказал д-р Гринвальд. «Если мы сможем решить инженерные задачи, эта машина будет работать так, как мы прогнозируем».

Commonwealth Fusion заявила, что объявит о местонахождении Sparc через несколько месяцев.

Это лишь одна из многих компаний, работающих над разработкой и коммерциализацией термоядерной энергии в партнерстве с исследовательскими учреждениями, при поддержке сотен миллионов долларов инвестиционных денег.

Компания TAE Technologies, базирующаяся в Южной Калифорнии, например, работает над конструкцией, в которой используется линейное устройство, которое стреляет двумя облаками плазмы друг в друга для получения термоядерного синтеза. First Light Fusion, дочерняя компания Оксфордского университета в Англии, использует энергию для сжатия и сжатия термоядерного топлива.

Доктор Форест сказал, что, используя более сильные магнитные поля, Sparc получил то, что он назвал «консервативным» дизайном. «Это полностью отличает его от всех стартапов, которые по определению являются более острыми и рискованными», - сказал он.

Уильям Дорланд, физик из Мэрилендского университета и редактор журнала The Journal of Plasma Physics, сказал, что журнал попросил некоторые из этих термоядерных проектов «рассказать нам об их физических основах». M.I.T. и группа Commonwealth Fusion быстро согласились, сказал он.

«С моей точки зрения, это первая из этих групп, у которой есть частные деньги, которая на самом деле очень ясно говорит о том, что они делают», - сказал доктор Дорланд.

«Разумные люди расходятся во мнениях относительно того, работает ли это», - сказал он.«Я просто счастлив, что они активизировались и рассказывают нам, как нормальная наука говорит о том, что происходит».

Термоядерная энергия в 21 веке: состояние и перспективы

В то время как крупномасштабные эксперименты, такие как ITER и W7-X, продолжаются, почти два десятка стартапов работают над различными устройствами, видами топлива и подходами, используя новые технологии. Эти стартапы финансируются венчурным капиталом.

Мила Аунг-Твин, режиссер отмеченного наградами документального фильма о поисках термоядерной энергии, Let There Be Light , , который был показан на мероприятии, подчеркнула, что помимо государственных инвестиций в исследования термоядерного синтеза наблюдается рост количество новых игроков, работающих в области ядерного синтеза.В качестве примера в фильме показаны фьюжн-стартапы в Канаде и США.

«Замечательно, что существует больше частных организаций, поддерживающих инновации. Возможно, сейчас мы находимся на таком технологическом уровне, когда стартапы могут конкурировать с национальными лабораториями и агентствами, как будто они находятся в космических путешествиях », - сказал он.

Бигот добавил: «Эти компании пытаются разработать альтернативные варианты ИТЭР. Их инвесторы хотят сделать термоядерный синтез реальностью, и это демонстрирует веру в термоядерный синтез как многообещающий источник энергии для мира в среднесрочной и долгосрочной перспективе.”

Карлик среди гигантов, Технологический институт Коста-Рики (TEC) является домом для самого маленького стелларатора в мире. «Это устройство является первым в своем роде для Латинской Америки», - сказал Карлос Отарола Суньига, профессор TEC, который подчеркнул важность этой технологии для развития в масштабе электростанций и обеспечения альтернативной энергии для сообществ в регионе. Небольшой стелларатор SRC-1 был спроектирован и построен Лабораторией плазмы для термоядерной энергии и приложений и вступил в строй в 2016 году.Малые и средние термоядерные устройства, такие как SRC-1, могут способствовать внесению важных улучшений в масштабирование до более крупных термоядерных машин путем проведения совместных и сравнительных экспериментов, обучения персонала в учреждениях и государствах-членах и обучения нового поколения ученые-термоядерные ученые в передовых технологиях.

Энергия будущего: состояние исследований в области ядерного синтеза и роль МАГАТЭ

Ученые все больше воодушевляются перспективами того, что в обозримом будущем реактор сможет воспроизвести солнечный источник энергии на Земле с помощью научных и технологических инноваций в масштабах, ранее невообразимых.Во время ежегодной Генеральной конференции МАГАТЭ было проведено параллельное мероприятие по технологии ядерного синтеза, на котором обсуждались последние достижения в исследованиях и разработках в области технологии термоядерного синтеза.

«Мир становится теплее, выбросы становятся все хуже и хуже, есть надежда, что альтернативные источники энергии, такие как технология термоядерного синтеза, смогут обеспечить электричеством во всем мире к середине этого столетия», - сказал Стив Коули, директор Центра термоядерного синтеза в Калхэме. Энергия в Соединенном Королевстве, во вступительном слове.

Он также отметил новаторскую работу МАГАТЭ по развитию международного сотрудничества в этой области с 1958 года, и без этой поддержки развитие термоядерной технологии будет еще более отставать. «Теперь нам необходимо срочно активизировать работу, ведущуюся на Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ИТЭР), и продвинуть эксперимент, чтобы удовлетворить растущие потребности в энергии».

Обсуждения позволили получить представление о состоянии исследований в области термоядерного синтеза в настоящее время и о возможностях их расширения до коммерческого производства энергии.Эксперты согласились, что глобальное сотрудничество было лучшим способом преодолеть технологические и научные пробелы для реализации мечты о функционирующей термоядерной электростанции в обозримом будущем.

«Это слишком дорого и технологически сложно пытаться проложить одинокий исследовательский путь», - сказал аудитории Ричард Камендже, физик-термоядер из МАГАТЭ. «Поэтому роль, которую МАГАТЭ играет в развитии международного сотрудничества и содействии обмену научной и технической информацией в области термоядерного синтеза, является ключом к его успеху.”

Глобальный эксперимент направлен на использование энергии термоядерного синтеза

Задача создать в реакторе источник энергии, подобный источнику энергии самого Солнца, еще предстоит решить. Благодаря целенаправленным исследованиям и беспрецедентному международному сотрудничеству ученые считают, что в конце туннеля есть свет, чтобы воссоздать эту энергию в реакторе, который может доставлять энергию в электрическую сеть.

Этот инновационный эксперимент будет проводиться на строящейся в настоящее время глобальной установке для проведения экспериментов по ядерному синтезу.Известный как ИТЭР и расположен в Кадараше на юге Франции; это международный проект с семью участниками: Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Европейский Союз, Российская Федерация и США.

«Есть так много международных партнеров, которые работают над компонентами и производственными участками проекта ИТЭР», - сказал Коули. «Хотя мы можем соревноваться в достижениях, достигнутых на национальном уровне в области термоядерной науки и технологий, мы выигрываем от конструктивных результатов.Соревнование за решение проблемы способствует достижению целей ИТЭР. Прототипы термоядерных реакторов строятся на национальном уровне, но что также мотивирует таких ученых, как мы, - это глобальное стремление увидеть конечный результат, который будет положительным для человечества ».

Эксперимент ИТЭР смело представляет собой магию международного сотрудничества в мирном использовании атома. ИТЭР, в случае успеха эксперимента, укажет путь к созданию электростанции, использующей управляемый ядерный синтез в качестве потенциально неисчерпаемого источника энергии.Что еще более важно, он продемонстрирует, как самые большие проблемы современной науки и техники могут быть успешно преодолены посредством международного сотрудничества.

Дав обзор текущего статуса проекта и проблем, Дэвид Кэмпбелл, директор Департамента науки и эксплуатации ИТЭР, отметил, что этот проект является крупнейшим международным научным сотрудничеством на Земле по созданию устойчивой энергетики. «От поставки крупных заводских компонентов для экспериментального реактора до строительства дополнительных опорных конструкций - вот некоторые из проблем, с которыми мы сталкиваемся.Без международного сотрудничества и поддержки этот проект был бы невозможен ».

Сторонники термоядерной технологии также стремятся к ее коммерческому использованию, и этот продолжающийся эксперимент необходимо ускорить, продвигаться вперед как можно быстрее, чтобы ИТЭР заработал как можно раньше, повторил он.

Теория относительно проста. Ядерный термоядерный реактор должен обеспечивать самоподдерживающиеся реакции термоядерного синтеза и производить термоядерную мощность мощностью более нескольких сотен МВт.Но превратить науку в практическое применение сложно. В то время как установка ИТЭР будет проверять ключевые технологии, необходимые для термоядерного реактора, многие страны самостоятельно инициируют новые исследования и разработки, ведущие к демонстрации готовности термоядерной энергии к коммерциализации (DEMO). Но все это будет объединено в духе международного сотрудничества в рамках всемирной «ДЕМО-программы». МАГАТЭ организует серию семинаров по программе DEMO для облегчения и укрепления международного сотрудничества с целью определения и координации деятельности программы DEMO.

Ученые и политики убеждены, что мы находимся на пороге «эпохи термоядерного синтеза», и установка ИТЭР и демонстрационные установки позволят внедрить технологию, которая в не столь отдаленном будущем сможет существенно удовлетворить потребности человечества в энергии за счет практически неисчерпаемой энергии. безопасный, экологически чистый и общедоступный ресурс.

МАГАТЭ находится в авангарде исследований в области ядерного синтеза с 1950-х годов. МАГАТЭ сосредоточило свои усилия на содействии координации международных обязательств в области термоядерного синтеза и расширении взаимодействия между развивающимися государствами-членами с ведущими инициативами в области термоядерного синтеза.Агентство может по праву претендовать на свою долю кредита в поддержке новаторских способов сделать термоядерную энергию реальностью для удовлетворения глобального спроса на энергию.

Введение ко второму изданию

Реферат

Часть II этого специального выпуска содержит оставшиеся 11 документов, подготовленных в ходе дискуссионного собрания Гука, состоявшегося в марте 2020 года, посвященного изучению текущего состояния исследований термоядерного синтеза с инерционным удержанием во всем мире и его применения в электрических сетях. производство электроэнергии в будущем за счет разработки международной программы инерционного термоядерного синтеза.Он основан на усилении координации в Европе за последнее десятилетие со стороны исследователей, получивших поддержку грантов EUROFusion для проведения исследований, а также на сотрудничестве, которое естественно возникло с некоторыми ведущими исследователями Америки и Азии как в университетах, так и в национальных лабораториях. Статьи посвящены обновлению европейской дорожной карты для демонстрационного реактора инерционной термоядерной энергии, основанной на общих чертах между подходами сообществ магнитного и инерционного термоядерного синтеза к термоядерной энергии.Затем представлен ряд исследований, посвященных пониманию физических препятствий возгоранию на существующих установках. Специальный выпуск завершается четырьмя современными статьями, описывающими недавние значительные успехи в исследованиях инерционного термоядерного синтеза с быстрым зажиганием.

Эта статья является частью дискуссионного собрания «Перспективы получения энергии инерционного термоядерного синтеза с высоким коэффициентом усиления (часть 2)».

Ключевые слова: инерционный термоядерный синтез, энергия инерционного термоядерного синтеза, лазерно-плазменные взаимодействия, быстрое зажигание, физика высоких плотностей энергии, физика плазмы

1.Введение

В части I этого специального выпуска, посвященной перспективам получения энергии инерционного термоядерного синтеза с высоким коэффициентом усиления [1], были выдвинуты убедительные аргументы в пользу изучения физики, лежащей в основе термоядерного синтеза с инерционным удержанием, как с точки зрения фундаментальной физики [2], так и для обоснования независимые программы управления ядерными запасами двух стран (Великобритании и США) при отсутствии подземных испытаний [3]. Затем последовал обзор современного рынка электроэнергии в США, который показал, что термоядерные устройства меньшего размера с большей вероятностью будут совместимы с будущими потребностями в электроэнергии, чтобы дополнить потребности, обеспечиваемые возобновляемыми источниками [4].Также было усилено требование высокой прибыли для снижения капитальных затрат на инфраструктуру будущих электростанций с инерционным термоядерным синтезом (и, следовательно, затрат на электроэнергию), когда эти реакторы будут готовы к поставке на рынок [5]. После обсуждений долгожданного формирования группы по защите интересов индустрии термоядерного синтеза [6], а также обсуждений элементов, необходимых для построения будущих дорожных карт [7], был представлен ряд исследовательских статей, посвященных пониманию препятствий к воспламенению на современных устройствах. [8–13].Часть I завершилась увлекательным обсуждением преимуществ использования фторидного (ArF) драйвера Морской исследовательской лаборатории, работающего на длине волны 193 нм, для прямого управления мишенями для инерционного термоядерного синтеза. Их работа предполагает, что с помощью этого подхода может быть достигнута значительная экономия энергии привода (и капитальных затрат) [14].

В Части II этого специального выпуска Норрейс и др. . [15] в своей статье «Подготовка к европейской дорожной карте НИОКР для демонстрационного реактора инерционного термоядерного синтеза» представляют краткое изложение текущего состояния подхода с непрямым приводом на Национальном заводе по зажиганию.Они утверждают, что, согласно имеющимся данным, возгорание будет достигнуто при энергии возбуждения от 5 до 7 МДж, доставленной в мишени хохльраума. Далее они подводят итоги всемирных исследований в области физики, лежащей в основе концепции инерционного термоядерного синтеза с быстрым зажиганием. Хотя требования к энергии привода сжатия и зажигания для быстрого зажигания несколько выше, чем указывали первоначальные эксперименты, этот подход по сути сохраняет высокий коэффициент усиления. Текущие данные свидетельствуют о том, что драйвер лазера 0,5–1.0 МДж требуется для сжатия, а для зажигания необходим лазер с короткими импульсами аналогичного размера. Поэтому быстрое зажигание по-прежнему обещает существенно снизить требования к энергии импульса возбуждения и зажигания по сравнению с подходом непрямого зажигания. После этого обсуждения проводится исследование новой идеи дополнительного нагрева как способа минимизировать потребность в энергии привода для изобарического сжатия. Дополнительный нагрев был вдохновлен требованием сообщества магнитного термоядерного синтеза о дополнительном нагреве плазмы токамака с использованием высокочастотного, ионно-лучевого, нейтрального лучевого нагрева и т. Д., как последний шаг к достижению температуры воспламенения в плазме, что является ключевым препятствием также в исследованиях инерционного термоядерного синтеза. Идея основана на двух концепциях. Во-первых, это характеристики имплозий смоченных пенных капсул с низким коэффициентом сходимости с косвенным воздействием, которые демонстрируют замечательное согласие с радиационно-гидродинамическими расчетами на Национальном заводе по зажиганию. Второй - встреча двух пучков быстрых электронов, генерируемых петаваттными лазерными импульсами, в центральной горячей точке. В точке столкновения пучка с пучком в центральной горячей точке пучки возбуждают на коротком расстоянии ленгмюровские (электронно-плазменные) волны высокой амплитуды, которые затем нарастают и ломаются, что приводит к возникновению каскада энергии в фоновой плазме и вызывает большая часть волновой энергии должна быть преобразована в турбулентную кинетическую энергию, таким образом повышая температуру до условий воспламенения.В статье представлены первые оценки повышенных характеристик термоядерного синтеза по поглощенной энергии. Норрейс и др. Затем переходит к обсуждению преимуществ инвестирования в программу инерционной термоядерной энергии для фотонной индустрии и связанных с ней социальных побочных эффектов, прежде чем завершить обсуждение остающихся препятствий на пути воспламенения с научной и технологической точки зрения. В статье обсуждаются технологические проблемы, связанные с воспламенением и высоким коэффициентом усиления, и делается вывод о том, что для достижения этих целей, вероятно, потребуется несколько десятилетий.

Эти временные рамки усилены в полезной и интересной статье Chapman & Walden [16]. Они представляют неопровержимые доказательства того, что общие проблемы, связанные с термоядерными электростанциями, независимо от того, основаны ли они на магнитном или инерционном ограничении, такие как радиационно-стойкие материалы, обработка больших объемов трития, бланкетные технологии, робототехника, системы управления реакторами, диагностика и т. Д. - очень сложны и требуют постоянных усилий в течение нескольких десятилетий, выходящих за рамки национальных границ.

К счастью, модульный характер исследований и разработок в области инерционного синтеза, где физика мишени отделена как от технологий драйверов, так и от силовых установок, позволяет этой области продолжать развиваться параллельно по всем направлениям. Последний пункт подкреплен статьей Кёпке [17]. Во-первых, он суммирует результаты обзора энергии инерционного термоядерного синтеза за 2013 год [18], прежде чем перейти к описанию технологических проблем массового производства мишеней, бланкетов для захвата нейтронов, теплообмена и воспроизводства трития, а также лазера и / или или импульсные драйверы питания.Он выступает за повышение осведомленности отрасли о сложности технологии (предполагаемый барьер) и доступности дополнительных ресурсов (предполагаемый драйвер) для коммерциализации технологий малыми и средними предприятиями (МСП). Заинтересованность МСП в формировании консорциумов для демонстрации термоядерной электростанции IFE и создании необходимых цепочек поставок становится ценным рычагом для реализации плодов дорожной карты IFE.

Статья Кэмпбелла и др. .основан на исследованиях, проведенных в Лаборатории лазерной энергии (LLE) Университета Рочестера за последние 6 десятилетий, и обеспечивает современный обзор академической программы в США по инерциальному термоядерному синтезу с прямым приводом [19]. В их статье описывается текущее состояние обширных исследований LLE криогенных взрывов, фундаментальных свойств материалов и гидродинамики, а также взаимодействий лазер-плазма. Университет Рочестера является ведущим институциональным сторонником так называемой конфигурации с полярным прямым приводом на Национальном объекте зажигания, где 192 лазерных луча перенаправляются непосредственно на поверхность сферической капсулы, чтобы обеспечить более однородную диаграмму направленности.Заявленная цель LLE состоит в том, чтобы добиться горящей плазмы в лаборатории, и доказанная способность команды Университета Рочестера проводить передовые исследования в широком диапазоне энергии, мощности и масштабов предполагает, что они, вероятно, добьются значительного прогресса в достижении этой цели.

В статье Паддока и др. . «Одномерное гидродинамическое моделирование имплозий термоядерного синтеза с прямым приводом и низким коэффициентом сходимости» [20] приведено вычислительное исследование характеристик смоченных пенных мишеней, которые приводятся в действие прямым приводом. представлен.Хотя на данном этапе они ограничены одним измерением, они указывают на то, что можно было бы приблизиться к безубыточности энергии на Национальном заводе по зажиганию, используя новый четырехимпульсный дизайн формы, подкрепляющий выводы исследований более высоких адиабат для целей прямого воздействия, представленных ранее Бетти и соавторы [21], которые показали 500 кДж термоядерной энергии для полярного прямого привода на Национальном заводе по зажиганию (что соответствует 74% критерия Лоусона). Работа Paddock и др. . Показывает, что 4 МДж энергии привода могут обеспечить прирост 24, а прирост реактора термоядерного синтеза ( G ≥ 50) - 8.5 МДж в створ. Интересно отметить, что эти результаты позволяют минимизировать энергетический бюджет в будущих исследованиях дополнительного отопления. Они также обеспечивают поверхностную плотность, необходимую для быстрого воспламенения, с дополнительным преимуществом в виде более крупной сжатой мишени, на которой формируется горячее пятно на стороне топлива.

Ограниченный бюджет энергии, доступный в настоящее время на Национальном заводе по зажиганию, в значительной степени ограничил исследования имплозии теми, у кого более высокий коэффициент конвергенции, чтобы максимизировать давление.Принципиальные ограничения для воспламенения - это смесь остаточных материалов оболочки с термоядерным топливом DT, повышающая требования к температуре в центральной горячей точке, чтобы учесть увеличенные потери тормозного излучения. Хороший обзор международных усилий по пониманию, смягчению и контролю нестабильностей Рэлея-Тейлора и Рихтмайера-Мешкова дается в статье Каснера «Недавний прогресс в количественной оценке гидродинамической нестабильности и турбулентности в экспериментах с ICF и высокой плотностью энергии» [22].К ним относятся использование пикетных импульсов, которые сглаживают отпечаток лазерного луча для прямого привода, а также гибридные косвенно-прямые схемы, которые позволяют подавить гидродинамическую нестабильность за счет абляции материала оболочки с помощью более проникающих рентгеновских лучей до того, как лазерные импульсы попадут. внешняя поверхность оболочки [23].

В статье Риджерса «Неадекватность магнитогидродинамического подхода к батарее Бирмана» [24] обсуждается ключевой элемент микрофизики, связанный с инерционным синтезом, - самогенерация магнитных полей.Эти поля связаны со скрещенными градиентами плотности и температуры в плазме и до недавнего времени были включены в коды радиационной гидродинамики с использованием тепловых потоков, ограниченных потоком, для расчета роста магнитного поля. Это важно как в корональной плазме во время фазы ускорения имплозии, так и в фазе застоя, когда магнитные поля, возникающие в слое смеси, могут иметь большое влияние на общий тепловой поток и, следовательно, на гидродинамический отклик.Они утверждают, что теперь необходимы более точные описания роста магнитного поля с использованием кинетических методов.

Последние четыре статьи в этом специальном выпуске относятся к физике инерционного термоядерного синтеза с быстрым зажиганием. В статье Spiers et al. «Самофокусировка всего луча в плазме, связанной с термоядерным синтезом» [25] дает убедительные доказательства образования прямого канала в плазме большой длины (несколько сотен микрометров) с использованием лазерной установки Orion в AWE, Олдермастон.Они представляют систематическое исследование расширения плазмы с использованием различных оптических средств диагностики и диагностики частиц. Они поддерживаются трехмерным моделированием частиц в ячейках и радиационной гидродинамикой. Эксперимент подтверждает, что комбинация релятивистской самофокусировки и релятивистской индуцированной прозрачности - механизм Хабара-Кодама-Танака - обеспечивает прямые каналы, преодолевая критический барьер на пути к реализации быстрого зажигания.

Статья Консоли и др. . «Источники и пространственно-временное распределение электромагнитных импульсов в экспериментах по инерционному термоядерному синтезу и лазерно-плазменному ускорению» [26] дает краткий обзор экспериментов по количественной оценке масштаба электромагнитные импульсы в современных экспериментах.Это необходимо при масштабировании этих устройств до тех, которые потребуются для натурных испытаний быстрого зажигания.

Бег и др. . В статье «Динамика быстрого переноса электронов и выделение энергии в намагниченной сжатой цилиндрической плазме» [27] представлены сравнительные моделирование и эксперименты с использованием установки OMEGA EP в Университете Рочестера по переносу энергии в цилиндрической плазме. плазма. Преимущество этой геометрии - поперечный доступ к плазме для исследования условий плазмы.

Специальный выпуск завершается увлекательной статьей Боэллы и др. «Быстрое зажигание с использованием ударно ускоренных ионов из короны мишени» [28]. В документе указывается, что существует возможность использования бесстолкновительных электростатических ударов для ускорения частиц в горячую точку, где они вкладывают свою энергию посредством остановки в плотном топливе. В статье показано, что молодые ученые все еще могут внести значительный вклад в науку об инерционном термоядерном синтезе, несмотря на относительную зрелость этой области, и что все еще есть место для инновационных идей и новых концепций.Заключительная статья подтверждает, что новые подходы к инерционному термоядерному зажиганию и связанное с этим снижение требований к энергии привода заслуживают внимания и рассмотрения.

Перспективы термоядерной энергетики растут ›News in Science (ABC Science)

Новости науки

Четверг, 13 февраля 2014 г. Will Dunham
Reuters


Ученые использовали 192 лазерных луча, чтобы поразить крошечную цель, содержащую капсулу диаметром менее 2 миллиметров, заполненную термоядерным топливом (Источник: Eduard Dewald / LLNL)

Атомная энергетика будущего Американские ученые сделали важную веху в дорогостоящих, многолетних поисках энергии термоядерного синтеза, которая в случае успешного использования обещает стать почти неиссякаемым источником энергии для будущих поколений.

Впервые в ходе экспериментов было получено больше энергии в результате термоядерных реакций, чем количество энергии, вложенное в термоядерное топливо, говорят ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии.

Исследователи во главе с физиком доктором Омаром Харрикейном назвали это достижение важным, но заявили, что требуется гораздо больше работы, прежде чем термоядерный синтез станет жизнеспособным источником энергии. Они отмечают, что он не производил саморазогревающийся ядерный синтез, известный как зажигание, который был бы необходим для любой термоядерной электростанции.

Исследователи столкнулись с серьезными научными и инженерными проблемами, пытаясь разработать управляемый ядерный синтез - тот же процесс, который приводит в действие звезды, включая наше Солнце.

«На самом деле, впервые где-либо мы получили больше энергии из этого топлива, чем было вложено в топливо. И это совершенно уникально. И это своего рода важный поворотный момент, во многих наших умах», - говорит Hurricane .

"Я думаю, что многие люди в восторге."

Сплавление вместе

В отличие от ископаемого топлива или процесса деления на атомных электростанциях, термоядерный синтез дает возможность получить много энергии без загрязнения окружающей среды, радиоактивных отходов или парниковых газов.

В отличие от нынешней энергии деления ядер, получаемой при расщеплении атомов, энергия синтеза получается путем слияния атомов вместе.

Эксперты полагают, что пройдет еще много лет или десятилетий, прежде чем термоядерный синтез станет практическим источником энергии.

«Хотел бы я поставить дату», - говорит Ураган. «Но это на самом деле (просто) исследование. И, знаете, хотя у нас все хорошо, мы бы солгали вам, если бы назвали свидание».

Ураган сравнил неопределенный путь исследования термоядерного синтеза с «восхождением на полпути на гору, но вершина горы скрыта облаками».Вы этого не видите. У вас нет карты ».

Исследование проводилось в лаборатории National Ignition Facility (NIF), которое было завершено в 2009 году.

Взрыв крошечной мишени

Ученые использовали 192 лазерных луча, чтобы поразить крошечную мишень, содержащую заполненную капсулу диаметром менее 2 миллиметров. с термоядерным топливом, состоящим из плазмы дейтерия и трития, которые являются двумя изотопами или формами водорода.

Топливо было покрыто внутри капсулы замороженным слоем толщиной менее человеческого волоса.

При очень высоких температурах возникает ядро ​​дейтерия и ядро ​​взрывателя трития, нейтрон и нечто, известное как «альфа-частица», и выделяется энергия.

Эксперименты, опубликованные в журнале Nature , создали условия, в три раза превышающие плотность Солнца.

В двух описанных исследователями экспериментах, которые проводились в сентябре и ноябре прошлого года, из термоядерного топлива вышло больше энергии, чем было вложено в него, но все же это было меньше, чем общее количество, вложенное в мишень.

Взрыв дейтерия и трития был более стабильным, чем достигалось ранее. Исследователи сделали это, удвоив мощность лазера в лазерном импульсе раньше, чем в предыдущих попытках.

Выход энергии термоядерного синтеза был увеличен примерно в десять раз по сравнению с прошлыми экспериментами в серии, которая началась в мае прошлого года. В одном из экспериментов было получено более половины так называемых критериев Лоусона, необходимых для достижения воспламенения, но только около одной сотой энергии, необходимой для воспламенения.

Расплата может быть большой

Стремясь использовать потенциал этого типа энергии для снижения зависимости от нефти и других ископаемых видов топлива, Соединенные Штаты и другие страны вложили многие миллионы долларов в исследования термоядерного синтеза, часто с неодинаковыми результатами.

Стив Коули, директор Калемского центра термоядерной энергии, британской национальной лаборатории термоядерных исследований, назвал новые результаты «действительно превосходными», но говорит, что разные критерии успеха затрудняют сравнение с его типом исследований.

«Мы ждали 60 лет, чтобы приблизиться к управляемому термоядерному синтезу, и теперь мы близки к исследованиям как магнитного, так и инерционного удержания. Мы должны продолжать это», - говорит Коули.

Марк Херрманн, исследователь термоядерного синтеза из Sandia National Laboratories в Нью-Мексико, называет новые открытия важными, но видит «очень долгий путь к оценке жизнеспособности термоядерного синтеза как долгосрочного источника энергии».

«Я считаю, что компактный безуглеродный источник энергии очень важен для человечества в долгосрочной перспективе», - говорит он.

«Fusion - это одна ставка. Если она окупится, отдача будет большой».

Теги: альтернативная энергия, энергия, физика, атомная энергия

Отправить по электронной почте редактору

Используйте эти ссылки в социальных сетях, чтобы поделиться Перспективы энергии термоядерного синтеза накаляются .

Используйте эту форму, чтобы отправить электронное письмо «Перспективы термоядерной энергии нагреваются» вашему знакомому:
https: // www.abc.net.au/science/articles/2014/02/13/3943872.htm?

грандиозных испытаний - получение энергии от Fusion

Если у вас есть портативный компьютер, его батарея, вероятно, содержит металлический элемент литий. Теоретически литий в этой батарее может обеспечить электроэнергию для вашего дома в течение 15 лет.

Не в виде батарейки, конечно. Скорее, литий когда-нибудь может стать критическим элементом для производства энергии из ядерного синтеза, источником энергии для солнца и водородных бомб.Электростанции, основанные на литии и использующие различные формы водорода в качестве топлива, в принципе могут стать важным устойчивым источником чистой энергии в будущем.

Что такое синтез?

Fusion - это источник энергии солнца. Безусловно, получить энергию из термоядерного синтеза здесь, на Земле, намного сложнее, чем на Солнце. Там огромное тепло и гравитационное давление сжимают ядра некоторых атомов в более тяжелые ядра, высвобождая энергию. Например, отдельные протонные ядра двух изотопов водорода сливаются вместе, образуя более тяжелые ядра гелия и нейтрона.В этом преобразовании теряется крошечная масса массы, которая превращается в энергию, как определено известным уравнением Эйнштейна E = mc 2 .

Земные реакторы не могут достичь высокого давления внутри Солнца (такое давление было достигнуто на Земле только в термоядерном оружии, которое использует излучение от взрыва деления для сжатия топлива). Но для компенсации меньшего давления могут быть созданы температуры, намного превышающие солнечные, особенно если сплавлены более тяжелые формы водорода, известные как дейтерий (с одним протоном и одним нейтроном) и тритий (один протон плюс два нейтрона).

Дейтерий - относительно необычная форма водорода, но воды - каждая молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода - достаточно, чтобы запасы дейтерия были практически неограниченными. Океаны могут удовлетворить текущие потребности мира в энергии буквально на миллиарды лет.

Тритий, с другой стороны, радиоактивен и его очень мало в природе. Вот тут-то и появляется литий. Простые ядерные реакции могут превращать литий в тритий, необходимый для слияния с дейтерием.Лития в земной коре больше, чем свинца или олова, и еще больше лития доступно из морской воды. Для генерирующей станции на термоядерном синтезе мощностью 1000 мегаватт потребуется всего несколько метрических тонн лития в год. Поскольку океаны содержат триллионы метрических тонн лития, его поставки не будут проблемой в течение миллионов лет.

Можете ли вы контролировать реакцию синтеза?

Синтез, созданный человеком, уже был продемонстрирован в небольшом масштабе. Задачи, стоящие перед инженерным сообществом, состоят в том, чтобы найти способы расширить процесс термоядерного синтеза до коммерческих масштабов эффективным, экономичным и экологически безопасным способом.

Крупная демонстрация потенциала термоядерного синтеза скоро будет построена на юге Франции. Испытательная установка, получившая название ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор), является совместным исследовательским проектом США, Европейского Союза, Японии, России, Китая, Южной Кореи и Индии. Разработанный для достижения уровня мощности 500 мегаватт, ИТЭР станет первым термоядерным экспериментом, который произведет длинные импульсы выделения энергии в значительных масштабах.

В то время как другие подходы к слиянию изучаются, наиболее продвинутый включает использование магнитных сил для удержания ингредиентов слияния вместе.ИТЭР будет использовать этот метод магнитного удержания в устройстве, известном как токамак, где топливо вводится и удерживается в вакуумной камере и нагревается до температур, превышающих 100 миллионов градусов. В этих условиях термоядерное топливо становится газообразной формой электрически заряженной материи, известной как плазма. (Его электрический заряд - это то, что позволяет удерживать магнитные силы.) ИТЭР проверит способность магнитного удержания удерживать плазму на месте при достаточно высоких температурах и плотности в течение достаточно длительного времени, чтобы произошла реакция термоядерного синтеза.

Планируется, что строительство ИТЭР начнется к 2009 году, при этом первая плазменная установка будет произведена в 2016 году, а выработка тепловой энергии в объеме 500 мегаватт - к 2025 году. (Однако он не будет преобразовывать это тепло в электричество). определение стратегий решения различных технических проблем и проблем безопасности, которые инженеры должны будут преодолеть, чтобы сделать термоядерный синтез жизнеспособным в качестве крупномасштабного поставщика энергии.

Какие препятствия мешают работе термоядерных реакторов?

Во-первых, потребуются материалы, способные выдержать атаки продуктов реакции синтеза.В реакциях синтеза дейтерия образуется гелий, который может обеспечить некоторую часть энергии для поддержания нагрева плазмы. Но основной источник энергии, извлекаемой из реакции, - это нейтроны, которые также образуются в реакции синтеза. Быстро летящие нейтроны проникают сквозь стенку камеры реактора в покров из материала, окружающего реактор, выделяя свою энергию в виде тепла, которое затем может быть использовано для выработки энергии. (В усовершенствованных конструкциях реакторов нейтроны также будут использоваться для инициирования реакций превращения лития в тритий.)

Нейтроны не только накапливают энергию в материале бланкета, но их воздействие преобразует атомы в стене и бланкете в радиоактивные формы. Потребуются материалы, которые могут эффективно отводить тепло, выдерживая при этом структурное ослабление, вызванное нейтронами, в течение продолжительных периодов времени.

Также потребуются методы для ограничения радиоактивности, вызванной нейтронами, а также для предотвращения выбросов радиоактивного тритиевого топлива. Кроме того, при взаимодействии плазмы с материалами реактора образуется радиоактивная пыль, которую необходимо удалить.

Строительство полномасштабных установок по производству термоядерного синтеза потребует технических достижений для решения всех этих задач, включая создание более совершенных сверхпроводящих магнитов и современных вакуумных систем. Европейский Союз и Япония проектируют Международную установку по облучению термоядерных материалов, где будут разрабатываться и тестироваться возможные материалы для термоядерных заводов. Также необходимо будет разработать роботизированные методы обслуживания и ремонта.

Несмотря на то, что эти инженерные задачи значительны, термоядерный синтез дает много преимуществ помимо перспективы почти безграничного запаса топлива.

Будет ли термоядерная энергия безопасной?

С точки зрения безопасности, он не представляет риска неуправляемой ядерной реакции - реакция синтеза настолько сложна, что ее можно быстро остановить, исключив впрыск топлива. И после того, как инженеры узнают, как управлять термоядерной плазмой первого поколения, из дейтерия и трития топлива, усовершенствованные топлива второго или третьего поколения могут снизить радиоактивность на порядки.

В конечном итоге, конечно, успех термоядерного синтеза как поставщика энергии будет зависеть от того, можно ли будет решить проблемы строительства генерирующих станций и их безопасной и надежной эксплуатации таким образом, чтобы сделать стоимость термоядерной электроэнергии экономически конкурентоспособной.Хорошая новость заключается в том, что первый раунд проблем четко определен, и мотивация для их решения сильна, поскольку термоядерное топливо предлагает непреодолимое сочетание обильных поставок с минимальными экологическими последствиями.

Список литературы

Girard, J.P., et al. 2007. ИТЭР, безопасность и лицензирование. Fusion Engineering and Design 82 (5-14): 506-510. DOI: 10.1016 / j.fusengdes.2007.03.017.

Holtkamp, ​​N.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *