Керований термоядерний синтез: все ще за горами. Керований термоядерний синтез - шарлатанство Керований синтез

21.08.2020

Чи можливий керований термоядерний синтез за умов Землі?

Ідея використання термоядерного синтезу для промислових цілей була висловлена 60 років тому 1950 року. Ідея здавалася простою. Чотири атоми водню зливаються в один атом гелію, при цьому виділяється колосальна кількість енергії та ніякої радіації. Водню на землі багато, отже, можна буде мати багато чистої енергії. Незабаром ця ідея здійснилася, тільки не для промислових, а для військових цілей – було створено водневу бомбу. Здавалося, залишилося доопрацювати небагато - сповільнити процес так, щоб він став не вибуховим, а з керованою швидкістю. Проблема здавалася вирішальною. Про майбутнє енергетичне достаток писали у шкільних підручниках, розповідали у засобах масової інформації, знімали популярні фільми.

Почалося з будівництва токомаків - тороїдальних установок для магнітного утримання плазми з метою досягнення умов, необхідних для протікання керованого термоядерного синтезу (рис. 1, http://ua.wikipedia.org/wiki/%D2%EE%EA%E0%EC% E0% EA).

Загалом у світі було побудовано близько 300 токамаків (за найскромнішими підрахунками це обійшлося у $150 млрд.). Але й досі жоден із побудованих токамаків не придатний для промислових цілей. Головна проблема полягає в тому, що кільцевий плазмовий шнур з параметрами, достатніми для протікання термоядерних реакцій, є короткоживучим. Нещодавно в Інтернеті з'явилося чергове "обнадійливе" повідомлення (http://science.compulenta.ru/268602): "Японські вчені встановили новий рекорд у фізиці плазми - вони змогли утримувати плазму в токамаку JT-60 протягом 28,6 секунд. Ця цифра практично вдвічі перевищує рекорд 2004 року, який становить 16,5 секунди. Таке "обнадійливе" повідомлення, коли йдеться про використання термоядерного синтезу для промислових цілей, може сприйматися тільки як глузування. "Вчені приходять на роботу, включають реактор, реакція швидко відбувається, начебто, вимикають, і сидять і думають. У чому ж причина? Що робити далі? І так десятиліттями, безрезультатно... Пройдено великий шлях і зроблено багато для досягнення кінцевої мети. Але, на жаль, результат негативний, керований термоядерний реактор не створений, ще років 30...40 і обіцянки вчених будуть виконані, а чи будуть 60 років, немає результату. через три роки?" (http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm). В даний час на слуху ITER– проект міжнародного експериментального термоядерного реактора. Проектування реактора закінчено, обрано місце для його будівництва – на півдні Франції. До проекту будівництва ITER входять Китай, Японія, Південна Корея, Росія, США, країни ЄС та Індія. Вартість проекту спочатку оцінювалася у 12 млрд доларів. У липні 2010 року через зміну проекту та подорожчання матеріалів вартість будівництва міжнародного термоядерного реактора ITER була скоригована та збільшилася до 15 млрд євро. Запланований термін здачі реактора 2015 року. Що можна очікувати від чергового токамака, хай і дуже великого? Але на Сонці безперервно здійснюється невибухова термоядерна реакція!

Мені історія з токамаками нагадує історію з вічними двигунами. Кожен черговий винахідник вічного двигуна чекає, що він ось-ось запрацює. А він не працює. Але винахідники вічних двигунів не знають одного з основних законів фізики – закону збереження енергії. Можливо, творці токамаків теж чогось не знають? Так, мабуть, це так і є. Вони не знають якостей нещодавно відкритої структури вакууму Космосу (http://www.worldspace.nm.ru/ru/articles/pdf/vivvd-1.pdf). Втім, найкраще надати слово самому автору відкриття А.В. Рикову:

"Астрофізики підтвердили після 1998 року, що Всесвіт володіє прихованими (без випромінювання) "темними" енергією та матерією. Відкриття структури вакууму дає можливість розуміння зазначених "темних" сутностей Всесвіту. Підставою для такого твердження є нерозривний зв'язок гравітації та антигравітації, відповідальної за "темну" енергію. Структура вакууму має електромагнітний характер і утворена кристалічною решіткою з елементарними зарядами у її вузлах величиною (+.-)1,602176462-19кулон і потоками магнітної індукції, пов'язаними із зарядами, величиною Ф = 4,8032042-18Вебер. Решітка з розміром елемента 1,3987631-15м виконує функцію "темної" енергії, потік магнітної індукції виконує функцію "темної" матерії.

Крок структури вакууму в 37832 менше радіусу атома водню, що пояснює неможливість екранування гравітації та інших подібних дій (зняття електричної напруженості із зарядів структури). Вона нерухома і жорстко пов'язана з вакуумом Всесвіту, в якому поширюється світло згідно з Максвеллом. Трохи структури забезпечує її присутність і проникнення будь-які об'єкти та пристрої, виконані людьми. Це проникнення є і досвідчені установки типу Токамак. У сучасних установках з магнітними пастками плазми дейтерію або тритію всепроникна структура вакууму руйнує магнітну ізоляцію і звільняє з неї плазму. Це причина невдач спроб отримання термоядерної енергії Землі. На Сонці всі термоядерні реакції обмежені у просторі гравітацією з прискореннями сили тяжіння 273 м/сек 2 що неможливо виконати на Землі."

Від себе можу тільки додати, що температура в центрі Сонця близько 15 млн. градусів, а тиск і щільність теж не можна порівняти з тим, що можна забезпечити на Землі.

Наполегливе прагнення опанувати термоядерну енергію обумовлено гігантськими потребами в енергії промисловості, та й усієї інфраструктури нашої цивілізації. А тим часом, давно вже назрів момент, коли можна і потрібно було переходити від старих енергопожираючих технологій до нових технологій, що ґрунтуються на ідеях біоніки. І якби, хай не 60 років тому, а хоча б 20-30 років тому, кошти, вкладені за цей час у створення токамаків, були спрямовані на розвиток енергозберігаючих технологій, наша планета не стояла б перед проблемами енергетичного голоду та екологічної катастрофи. .

1. Підготовлено проектом "Астрогалактика" 2. Публікація проекту, 5 жовтня 2011 3. Автор статті Л.М. Топтунова для проекту "Астрогалактика"

«Ми сказали, що помістимо Сонце у коробку. Ідея чудова. Але проблема в тому, що ми не знаємо, як створити цю коробку» - П'єр Жіль де Жен, лауреат нобелівської преміїз фізики 1991 року.

У той час, як важких елементів, потрібних для ядерних реакцій Землі й у цілому космосі досить мало, легких елементів для термоядерних реакцій дуже багато як у Землі, і у космосі. Тому ідея використати термоядерну енергію на благо людства прийшла практично відразу з розумінням процесів, що лежать в її основі - це обіцяло воістину безмежні можливості, оскільки запасів термоядерного палива на Землі мало вистачити на десятки тисяч років уперед.

Вже в 1951 році з'явилися два основних напрямки розвитку термоядерних реакторів: Андрієм Сахаровим та Ігорем Таммом була розроблена архітектура токамака в якому робоча камера являла собою тор, в той час як Лайманом Спітцером була запропонована архітектура більш хитромудрої конструкції за формою, що найбільше нагадує лист Мебіуса, перегорнутий. не один, а кілька разів.

Простота принципової конструкції токамака дозволила тривалий час розвивати цей напрямок за рахунок підвищення характеристик звичайних та надпровідних магнітів, а також шляхом поступового збільшення розмірів реактора. Але з підвищенням параметрів плазми поступово стали виявлятися і проблеми з її нестабільною поведінкою, які гальмували процес.

Складність конструкції стелатора взагалі призвела до того що після перших експериментів у 50-х роках розвиток цього напряму на довгий час зупинився. Нове дихання воно отримало нещодавно з появою сучасних систем автоматизованого проектування, які дозволили спроектувати стелатор Wendelstein 7-X з необхідними для його роботи параметрами і точністю конструкції.

Фізика процесу та проблеми у його реалізації

Атоми заліза мають максимальну енергію зв'язку на нуклон – тобто показник енергії, яку потрібно витратити, щоб розділити атом на його складові нейтрони та протони, поділений на їх загальну кількість. Всі атоми з меншою та більшою масою мають цей показник нижче заліза:

При цьому в термоядерних реакціях злиття легких атомів аж до заліза виділяється енергія, а маса атома, що утворюється, стає злегка менше суми мас вихідних атомів на величину, що співвідноситься з виділяється енергією за формулою E = mc² (так званий дефект маси). Так само виділяється енергія при ядерних реакціях поділу атомів важче заліза.

При реакціях злиття атомів виділяється величезна енергія, але щоб отримати цю енергію нам спочатку необхідно докласти певне зусилля подолання сил відштовхування між атомними ядрами які є позитивно зарядженими (подолати кулоновський бар'єр). Після того, як нам вдалося зблизити пару атомів на необхідну відстань в дію, вступає сильна ядерна взаємодія, яка пов'язує нейтрони і протони. Для кожного виду палива кулоновський бар'єр для початку реакції відрізняється також, як і відрізняється оптимальна температура реакції:

При цьому перші термоядерні реакції атомів починають фіксуватися задовго до досягнення середньої температури речовини цього бар'єру завдяки тому, що кінетична енергія атомів схильна до розподілу Максвелла:

Але реакція при відносно низькій температурі (близько кількох млн °C) йде дуже повільно. Так скажімо в центрі температура сягає 14 млн °C, але питома потужність термоядерної реакції в таких умовах становить лише 276,5 Вт/м³, а для повного витрачання свого палива Сонцю потрібно кілька млрд років. Такі умови є неприйнятними для термоядерного реактора, оскільки за такого низького рівня виділення енергії ми неминуче витрачатимемо на нагрівання і стиснення термоядерного палива більше, ніж отримуватимемо від реакції натомість.

У міру зростання температури палива все більша частка атомів починає мати енергію, що перевищує кулоновський бар'єр і ефективність реакції зростає, досягаючи свого піку. З подальшим підвищенням температури швидкість реакції знову починає падати вже за рахунок того, що кінетична енергія атомів стає занадто великою і вони «проскакують» повз один одного не в змозі втриматися сильною ядерною взаємодією.

Таким чином рішення як отримати енергію з керованої термоядерної реакції було отримано досить швидко, але реалізація цього завдання затягнулася на півстоліття і так ще до кінця і не закінчена. Причина цього криється в шалених умовах, в які виявилося необхідно помістити термоядерне паливо – для позитивного виходу від реакції його температура мала становити кілька десятків млн °C.

Таку температуру фізично не могли витримати жодні стінки, але ця проблема майже відразу призвела і до її вирішення: оскільки розігріта до таких температур речовина є гарячою плазмою (цілком іонізованим газом) яка заряджена позитивно, то рішення виявилося лежачим на поверхні – нам просто треба було помістити таку розігріту плазму в сильне магнітне поле, яке утримуватиме термоядерне паливо на безпечній відстані від стінок.

Прогрес на шляху його реалізації

Дослідження з цієї теми йдуть у кількох напрямах одночасно:

за допомогою використання надпровідних магнітів вчені намагаються скоротити енергію, що витрачається на запалення та підтримку реакції;
за допомогою нових поколінь надпровідників підвищується індукція магнітного поля всередині реактора, яка дозволяє утримувати плазму з вищими показниками щільності та температури, що збільшує питому потужність реакторів на одиницю їхнього обсягу;
дослідження в галузі гарячої плазми та успіхи у сфері обчислювальної техніки дозволяють краще контролювати потоки плазми, тим самим наближаючи термоядерні реактори до їх теоретичних меж ефективності;
прогрес у попередній ділянці також дозволяє довше утримувати плазму в стабільному стані, що збільшує ефективність реактора за рахунок того, що нам не треба так часто розігрівати плазму знову.

Незважаючи на всі труднощі та проблеми, що лежали на шляху до керованої термоядерної реакції, ця історія вже наближається до свого фіналу. В енергетиці прийнято використовувати показник EROEI – energy return on energy investment (співвідношення витраченої енергії при виробництві палива до обсягу енергії, який ми з нього отримуємо в результаті) для розрахунку ефективності палива. І в той час як EROEI вугілля продовжує зростати, цей показник у нафти і газу досяг свого піку в середині минулого століття і тепер неухильно падає за рахунок того, що нові родовища цих палив знаходяться в все більш важкодоступних місцях і на все більших глибинах:

При цьому нарощувати виробництво вугілля ми також не можемо через те, що отримання енергії з нього є дуже брудним процесом і буквально забирає життя людей прямо зараз від різних захворювань легень. Так чи інакше ми зараз стоїмо на порозі заходу ери копалин палив - і це не підступи екологів, а банальні економічні розрахунки при погляді в майбутнє. При цьому EROI у експериментальних термоядерних реакторів, що з'явилися також у середині минулого століття, неухильно зростали і в 2007 році досягли психологічного бар'єру в одиницю - тобто цього року людству вперше вдалося отримати за допомогою термоядерної реакції більше енергії, ніж витратити на її здійснення. І незважаючи на те, що на реалізацію реактора, експерименти з ним і виробництво вже першої демонстраційної термоядерної електростанції DEMO на основі отриманого при реалізації ITER досвіду знадобиться ще багато часу. Вже немає жодних сумнівів у тому, що за такими реакторами знаходиться наше майбутнє.

Критика досліджень

Основна критика досліджень у галузі термоядерних реакторів полягає в тому, що дослідження йдуть вкрай повільно. І це правда – від перших експериментів до виробництва беззбиткової термоядерної реакції нам знадобилося 66 років. Але суть проблеми тут полягає в тому, що фінансування таких досліджень ніколи не досягало необхідного рівня – ось приклад оцінок Адміністрації енергетичних досліджень та розробок США за рівнем фінансування проекту будівництва термоядерного реактора та часу його завершення:

Як видно з цього графіку – дивно не те, що ми досі не маємо комерційних термоядерних реакторів, що виробляють електроенергію, а те, що ми взагалі змогли досягти якогось позитивного виходу енергії з експериментальних реакторів на даний момент.

Восени 1981 року найбільші вчені з 27 країн світу приїхали до Москви на Європейську конференцію з керованого термоядерного синтезу та фізики плазми. Головний підсумок роботи конференції – одностайний висновок про те, що наука сьогодні близька до остаточного вирішення "проблеми століття" – керованого термоядерного синтезу (УТС). На основі розмов з провідними вченими підготовлено цю розповідь.

Чи багато фахівців і сьогодні запитують, чи могла б вже працювати термоядерна електростанція, якби довгий час дослідження з термояди не трималися в секреті? Якби у вчених та інженерів різних країнІз самого початку була можливість об'єднати свої зусилля? І хоча ніхто не може з повною впевненістю ствердно відповісти на це питання, всім ясно, що шлях до "енергетичного Ельдорадо" виявився б набагато коротшим.

Чому все склалося не так, як того вимагали потреби людей? Це питання прямо не обговорювалося на останній науковій конференції з термоотрути. Однак приховано він володів багатьма. Тому що чесна відповідь на нього може допомогти уникнути багатьох помилок у майбутньому.

Звернемося ненадовго до історії – всього до кількох дат та фактів. Наприкінці 30-х років була відкрита ланцюгова реакція поділу ядер, коли він виділяється дуже багато енергії. На жаль, скористалися нею насамперед не для потреб енергетики. У серпні 1945 року США скинули атомні бомби на японські міста Хіросіму та Нагасакі. Радянський Союз змушений був створити свою атомну зброю. Його випробували у 1949 році. Але вже 1954 року в нашій країні почала працювати перша в світі атомна електростанція, що відкрила еру мирного використання ядерної енергії... Схожа історія і з термоотрутою. Можливість отримання енергії при злитті ядер теоретично була доведена в кінці 30-х років (до речі, при синтезі виділяється енергії приблизно в сотні разів більше, ніж при розподілі!). І знову-таки спочатку було створено термоядерну зброю. Робота над термоядерною зброєю не тільки відволікала від мирних досліджень термоотрути, вона ніби глухою стіною роз'єднала вчених різних країн: жодного обміну інформацією, результатами досліджень, ідеями. Хтось мав зробити першим крок назустріч. І в 1956 році з ініціативи Радянського уряду доповіддю академіка І. В. Курчатова, яку він прочитав в англійському місті Харуелл, було започатковано регулярного обміну науковою інформацією, щоб спільними зусиллями вчених різних країн прокладати шляхи мирного використання термоядерної енергії. Ще через рік радянські вчені поділилися із закордонними колегами ідеєю, яка визначила генеральний напрямок штурму УТС. Назва установок, в основу яких покладена ця ідея, "Токамак" нині увійшло до всіх наукових словників світу так само, як, скажімо, слово "супутник".

Головним чином про ці установки - сьогоднішніх лідерів у вирішенні проблеми УТС, про проекти нових "Токамаків" йшлося і на останньому, московському форумі вчених різних країн.

Сама собою ідея термоядерного синтезу здається простою. Потрібно змусити ядра зійтися на відстань приблизно 10 мільярдних міліметрів і злитися, синтезуватися в одне ядро. У процесі злиття виділяється надлишок енергії. У принципі, синтезуватися здатні всі елементи початку таблиці Менделєєва. Однак найлегше (точніше, відносно легко) реакції синтезу можуть йти між ядрами ізотопів водню – дейтерію та тритію. Але для цього потрібно не мало не нагріти суміш цих ядер до 100 млн. градусів Цельсія. А для реакції синтезу на чистому дейтерії ще більше - до мільярда!

У цьому й полягає головна проблема. Нагріти речовину до таких температур – завдання саме по собі фантастичне! Навіть у надрах сонця "прохолодніше" - не більше 20 млн. градусів. Вже за кілька тисяч градусів речовина стає плазмою - хаосом з електронів і ядер, які з величезними швидкостями кидаються і стикаються всередині камери. І хаос цей стає активнішим із зростанням температури. Який уздой можна втримати його за десятки мільйонів градусів? На Сонці це величезна сила гравітації. А на Землі, у штучній установці?.. Підступність плазми ще й у тому, що завдяки високій теплопровідності вона миттєво віддає свою енергію стінкам камери та остигає. Як влучно зауважив відомий радянський фізик професор Д. Франк-Каменський, нагріти в замкнутій посудині плазму до мільйонів градусів - це те саме, що закип'ятити воду в склянці... з льоду!

Отже, головне завдання - нагріти плазму до потрібної температури і не давати їй торкнутися стінок стільки часу, скільки потрібно для того, щоб встигло прореагувати достатню кількість ядер дейтерію та тритію і відбулася реакція з виділенням величезної енергії.

Вирішенню цього завдання і служить ідея, яка найкраще працює в установках "Токамак". (Це слово утворене з перших складів назви установки "Тороїдальна камера з МАгнітним полем") Зі шкільної фізики відомо, що заряджена частка не може рухатися поперек магнітної силової лінії. В однорідному магнітному полі частинки рухаються вздовж силових ліній, закручуючи навколо них. Тому, якщо створити систему замкнутих магнітних силових ліній, то в принципі з допомогою можна утримувати плазму в деякому обмеженому обсязі. Образно кажучи, незримі "долоні" магнітних полів здатні утримати надсонячний жар! "Токамак" і мав стати надійною уздою для часток, "розлютованих" від неймовірної, фантастичної спеки.

Що ж є "Токамак" конструктивно? Зовні він схожий на великий трансформатор із залізним замкнутим сердечником та обмоткою, по якій пропускають дуже сильний струм. Замість вторинної обмотки трансформатора пустотіла тороїдальна камера, що нагадує великий бублик. Усередині цієї камери досягають переходу речовини в плазмовий стан. До необхідної температури плазму розігрівають сильним електричним розрядом, потужними струмами надвисокої частоти та іншими способами. А сильне магнітне поле стискає плазму у щільний кільцевий шнур.

Коли знайомишся з принциповою схемою "Токамака", дивуєшся її простоті - здається, навіть у шкільному підручнику наводять схеми складніше. Грубо кажучи, так воно і є, якщо забути на якийсь час про реальний пристрій, про конструкцію, що вимагає унікальних матеріалів; забути про ту неймовірно гарячу речовину, що приборкується в "бубліці". Так вже в перших експериментах з'ясувалося, що плазма ніяк не хоче визнавати магнітних стін. Незрозумілим чином вона встигає просочуватися раніше, ніж її вдається нагріти до потрібної температури. Фізики шукали засіб придушення нестійкості плазми, переробляли установку, підвищували температуру і... знову плазма знаходила новий спосіб вирватися з магнітного полону! Це подібно до подорожі в горах: взято чергову важку вершину, але з її висоти погляду відкриваються нові перевали, ущелини, прірви, які треба подолати на шляху до мети...

За три десятиліття пройдено більшість важкого шляху. Кожен його етап - це не дні або місяці, а роки завзятих, найскладніших експериментів, розрахунків, це десятки невдач, що розчаровують, і блискучих успіхів. І до кожного завдання, яке треба було вирішувати, можна було застосувати слово "вперше".

Наприклад, вперше треба було навчитися створювати надсильне магнітне поле у досить великих камерах. Причому поле найвищою мірою симетричне. При відхиленні симетрії вже в частині міліметра плазма намагалася прорватися до стін камери і остудитися.

Був і такий період, коли плазма, що надійно утримується магнітним полем, ніяк не хотіла нагріватися вище лише кількох мільйонів градусів. Зрештою з'ясувалося: винні у всьому мізерні домішки важких елементів у плазмі. Але як вони потрапляли в камеру? Виникло припущення - вони випаровуються із поверхні металу. з якого виготовлені стіни камери. У результаті електрони плазми гальмуються в електричному поліцих елементів, втрачають свою енергію, що й призводить до зниження температури... Потрібно багато років зрозуміти і, головне, усунути цю причину.

А проблема так званої першої стінки реактора? Уявіть, у камері за цією стіною мільйони градусів! Вона не випаровується миттєво тому, що, як ми знаємо, плазма обгорнута невидимим магнітним полем. Але зсередини на стіну обрушуються сильні потоки нейтронів! Матеріал стінки повинен бути гранично стійким, щоб не руйнуватися під дією високих температур і нейтронів, в той же час бути максимально "прозорим" по відношенню до тих самих нейтронів! Адже саме вони виносять із камери ту саму енергію термоядерного синтезу, яку ми маємо намір далі перетворювати на тепло та електрику. не буде стінка "прозорою", бажана енергія так і залишиться всередині "бублика". Ось яким парадоксальним вимогам має відповідати матеріал першої стінки реактора. Це все одно як би зробити цегляну стінку, прозору для артилерійських снарядів. Ми влучно розстріляли її мільйоном снарядів, а вона ціленька - жодної пробоїни.

На створення потужних магнітних полів йде левова частка енергії, що споживається "Токамаком", і поки що він більше бере, ніж віддає. Як зменшити енергетичні апетити?

Одне з вирішень проблеми – надпровідність. Відомо, що при температурах, близьких до абсолютного нуля, електричний опірдеяких провідників стає нескінченно малим. Струм, одного разу запущений у кільце такого провідника, може циркулювати в ньому як завгодно довго майже без втрат. Щоб практично вивчити можливість використання надпровідності в "Токамаках", вчені з інституту атомної енергії імені І. В. Курчатова збудували установку "Токамак-7", магнітні котушки якої виконані із надпровідних матеріалів. Це був унікальний досвід насамперед для інженерів, матеріалознавців. Справа в тому, що найсильніші магнітні поля в "Токамаку" стають ворогами надпровідності, знищують її. Тут знадобилося створити і випробувати особливі магнітостійкі надпровідні сплави. Порівняно із звичайною магнітною системою надпровідні обмотки Т-7 дозволили зменшити споживану з мережі потужність приблизно в 100 разів!

У 1975 році в Інституті атомної енергії було пущено встановлення "Токамак-10". На цій установці вдалося отримати плазму з рекордною для того часу температурою – 15 мільйонів градусів Цельсія! Тут вперше з'явилися надійні ознаки того, що в камері запалюється, нехай ще першими іскорками, термоядерна реакція. Так, іскра може запалити багаття. Однак і сотня окремих іскор це ще не багаття. Термоядерні іскри гасли. Але вже своєю появою вони переконали фізиків усього світу у правильності обраного шляху.

Наразі нова установка - "Токамак-15" - будується в Інституті атомної енергії. Обсяг плазмового "бубліка" в ньому буде приблизно в п'ять разів більше, ніж у Т-10. Навіщо це потрібно? Справа в тому, що при збільшенні об'єму камери зростає і кількість частинок, а отже, ймовірність зіткнень, які викликають реакцію. Плазма в Т-15 нагріватиметься до 70-80 млн. градусів - це вже дуже близько до того, що потрібно. Обмотки магнітних котушок у Т-15 будуть надпровідними. Це дозволить значно знизити споживання енергії.

Експерименти на Т-15 та інших "Токамаках", як сподіваються вчені, повинні остаточно підтвердити здійсненність реакції синтезу, що самопідтримується. Якщо все пройде вдало, то залишиться зробити останній крок на шляху до термоядерних електростанцій. На цьому останньому етапі має бути отримана відповідь на запитання: що і як потрібно зробити, щоб зібрати теплову енергію нейтронів і, перетворивши її в електрику, направити на заводи в міста, села.

Освоїти енергію ядерного синтезу, опанувати воістину невичерпне джерело енергії - це грандіозне завдання. Від успіху її вирішення залежить прогрес людства. Отже, і вирішувати це завдання краще спільно, силами всіх країн, які мають необхідні для цього наукові та технічні можливості. Особливо важливо об'єднати зусилля стає на нинішньому етапі досліджень - етапі найвідповідальнішому і, мабуть, найскладнішому, що потребує величезних матеріальних витрат.

У 1978 році у Відні на засіданні Міжнародного агентства з атомної енергії виступив керівник радянської термоядерної програми академік Є. П. Веліхов та від імені Радянського уряду запропонував спеціалістам провідних країн разом спроектувати та побудувати великий демонстраційний реактор-токамак. Значення цього виступу, як і виступи І. В. Курчатова у 1956 році, важко переоцінити. Це крок до нового етапу мирної співпраці у галузі термоотрути. Пропозиція була прийнята, і до складу учасників будівництва першого в історії міжнародного термоядерного реактора увійшли СРСР, США, Японія та десять найрозвиненіших країн західної Європи. ІНТОР – таку назву отримав майбутній реактор за першими буквами англійської назви – International Tokamak Reactor.

Як же виглядатиме ІНТОР?

Зовні він буде схожим на своїх попередників із сімейства "Токамаків" - Т-10, Т-15 та їх зарубіжних побратимів, відрізняючись від них великими розмірами. Обсяг плазми в ІНТОРі буде приблизно в 5 разів більший, ніж у "Токамаках" нинішнього покоління, а, як ми вже знаємо, це збільшує ймовірність запалення термоядерної реакції. За 5-6 секунд плазму нагріють до температури понад 100 млн. градусів. Протягом 100 секунд у камері триватиме термоядерна реакція, виділяючи енергію, рівну тій, що дають сьогодні атомні реактори середньої потужності – близько 600 МВт. (Для порівняння нагадаю, що потужність першої АЕС становила 5 МВт.) потім реакцію перервуть, щоб видалити з камери продукти згоряння (переважно ядра гелію), які забруднюють камеру. Потім знову впорхнуть порцію термоядерного пального, і цикл повториться.

Головна, мабуть, особливість ІНТОР полягає в тому. що тут вперше пройдуть серйозні випробування та елементи систем, що дозволяють практично використати енергію термоядерного синтезу. Такого роду системи називають "бланкетами" (від англійського слова blanket - ковдра.) У найпростішому випадку бланкет є пустотілою оболонкою, що оточує реактор, усередині якої циркулює рідина - скажімо, та сама вода. Нейтрони, що народжуються в ході реакції і несуть енергію термоядерного синтезу, будуть поглинатися рідиною і віддавати їй свою енергію, нагріваючи її. А далі за звичною схемою, як у теплових або атомних електростанціях: вода, нагріваючись, перетворюється на пару, яка рухала турбіну з електрогенератором.

Бланкет ІНТОР повинен допомогти вирішити ще одне важливе завдання.

Ми вже говорили про те, що спочатку термоядерні реактори працюватимуть на суміші дейтерію з тритієм – для такої суміші температура запалення потрібна менша, ніж для чистого дейтерію. Виникає питання: як же справа з ресурсами цього палива? Щодо дейтерію. то він удосталь є в морській воді, цілий океан, не на одне століття вистачить. А де взяти тритій? В природі. як відомо, його дуже мало.

Ядерна фізика і тут підказала вихід. Можна отримати тритій штучно від іншого хімічного елемента, якого на землі цілком достатньо - літію, опромінюючи його нейтронами. І це дуже важливо, робити це можна у тому самому термоядерному реакторі. У цьому полягає друга важлива функція бланкета: поміщений у нього літій буде перероблятися в тритій.

Тож, за ідеєю, реактор має не лише виробляти енергію, а й сам себе забезпечувати паливом, як це зараз і відбувається, до речі, в атомних електростанціях на швидких нейтронах.

Штурм проблеми керованого ядерного синтезу сьогодні йде широким фронтом. В останні роки отримано обнадійливі результати та на інших напрямках досліджень. Можна назвати, зокрема, такі варіанти, як "лазерний термояд", коли термоядерне пальне нагрівається з усіх боків потужними лазерними променями. Або "електронна термоотрута". де замість променів лазера працюють потужні пучки електронів.

Зараз ще рано говорити про те, як практично будуть втілені ці ідеї. "Токамаки" найближче підвели вчених до вирішення проблеми УТС. І саме на цьому напрямі концентруються сьогодні основні зусилля та засоби, які наближають до оволодіння практично невичерпним джерелом енергії.

Поточна версія сторінки поки не перевірялася

Поточна версія сторінки поки не перевірялася досвідченими учасниками і може значно відрізнятися від перевіреної 4 червня 2018 року; перевірки вимагають.

Керований термоядерний синтез (УТС) - синтез більш важких атомних ядер з легших з метою одержання енергії, який, на відміну від вибухового термоядерного синтезу (що використовується в термоядерних вибухових пристроях), носить керований характер. Керований термоядерний синтез відрізняється від традиційної ядерної енергетики тим, що в останній використовується реакція розпаду, в ході якої важких ядер виходять легші ядра. В основних ядерних реакціях, які планується використовувати з метою здійснення керованого термоядерного синтезу, будуть застосовуватися дейтерій (2 H) і тритій (3 H), а в більш віддаленій перспективі гелій-3 (3 He) та бор-11 (11 B). [ ]

Вперше завдання щодо керованого термоядерного синтезу в Радянському Союзі сформулював і запропонував для неї деяке конструктивне рішення радянський фізик Олег Лаврентьєв.

Історично питання керованого термоядерного синтезу на світовому рівні виникло в середині XX століття.

Атомні ядра складаються з двох типів нуклонів-протонів та нейтронів. Їх утримує разом так звана сильна взаємодія. При цьому енергія зв'язку кожного нуклону з іншими залежить від загальної кількості нуклонів у ядрі, як показано на графіку. З графіка видно, що з легких ядер зі збільшенням кількості нуклонів енергія зв'язку зростає, а й у важких падає. Якщо додавати нуклони у легкі ядра або видаляти нуклони з важких атомів, то ця різниця в енергії зв'язку виділятиметься у вигляді різниці між витратами на здійснення реакції та кінетичною енергією частинок, що вивільняються. Кінетична енергія (енергія руху) частинок перетворюється на тепловий рух атомів після зіткнення частинок з атомами. Таким чином, ядерна енергія проявляється у вигляді нагрівання. [ ]

Зміна складу ядра називається ядерним перетворенням чи ядерної реакцією. Ядерна реакція зі збільшенням кількості нуклонів у ядрі називається термоядерною реакцією або ядерним синтезом. Ядерна реакція із зменшенням кількості нуклонів у ядреядерному розпаді або розподілом ядра. [ ]

Встановлено, що суміш двох ізотопів, дейтерію та тритію, вимагає менше енергії для реакції синтезу порівняно з енергією, що виділяється під час реакції. Однак, хоча суміш дейтерію та тритію (D-T) є предметом більшості досліджень синтезу, вона в жодному разі не є єдиним видом потенційного пального. Інші суміші можуть бути простішими у виробництві; їх реакція може надійніше контролюватись, або, що більш важливо, виробляти менше нейтронів. Особливий інтерес викликають так звані «безнейтронні» реакції, оскільки успішне промислове використання такого пального означатиме відсутність довготривалого радіоактивного забруднення матеріалів та конструкції реактора, що, у свою чергу, могло б позитивно вплинути на громадську думку та на загальну вартість експлуатації реактора, суттєво зменшивши витрати на виведення з експлуатації та утилізацію. Проблемою залишається те, що реакцію синтезу з використанням альтернативних видів пального набагато складніше підтримувати, тому реакція D-T вважається необхідним першим кроком. [ ]

Керований термоядерний синтез може використовувати різні видитермоядерних реакцій залежно від виду палива. [ ]

Реакція, здійснена при найнижчій температурі - дейтерій + тритій:

Така реакція дає значний вихід енергії. Недоліки – висока ціна тритію, вихід небажаної нейтронної радіації. [ ]

Істотно складніше, на межі можливого, здійснити реакцію дейтерій + гелій-3

Умови її досягнення значно складніші. Гелій-3, крім того, є рідкісним та надзвичайно дорогим ізотопом. У промислових масштабах нині немає [ ]. Однак може бути отриманий з тритію, одержуваного у свою чергу на атомних електростанціях; або здобутий на Місяці.

Складність проведення термоядерної реакції можна характеризувати потрійним твором nTτ (щільність на температуру на час утримання). За цим параметром реакція D-3 He приблизно у 100 разів складніша, ніж D-T.

Також можливі реакції між ядрами дейтерію, вони йдуть трохи важче реакції за участю гелію-3:

Ці реакції повільно протікають паралельно з реакцією дейтерій + гелій-3, а тритій і гелій-3, що утворилися в ході них, з великою ймовірністю негайно реагують з дейтерієм.

Можливі деякі інші типи реакцій. Вибір палива залежить від безлічі факторів - його доступності та дешевизни, енергетичного виходу, легкості досягнення необхідних реакції термоядерного синтезу умов (насамперед, температури), необхідних конструктивних характеристик реактора тощо.

Найбільш перспективні так звані «безнейтронні» реакції, так як породжуваний термоядерним синтезом нейтронний потік (наприклад, реакції дейтерій-тритій) забирає значну частину потужності і породжує наведену радіоактивність в конструкції реактора. Реакція дейтерій + гелій-3 є перспективною в тому числі і через відсутність нейтронного виходу (але при реакції дейтерій-дейтерій утворюється тритій, який може взаємодіяти з дейтерієм, в результаті «безнейтронного» термояду немає).

Існують дві принципові схеми здійснення керованого термоядерного синтезу, розробки яких продовжуються в даний час (2017):

Перший вид термоядерних реакторів набагато краще розроблений та вивчений, ніж другий.

Термоядерний реактор набагато безпечніший за ядерний реактор у радіаційному відношенні. Насамперед, кількість радіоактивних речовин, що знаходяться в ньому, порівняно невелика. Енергія, яка може виділитися внаслідок будь-якої аварії, теж мала і не може призвести до руйнування реактора. При цьому конструкції реактора є кілька природних бар'єрів, що перешкоджають поширенню радіоактивних речовин. Наприклад, вакуумна камера та оболонка кріостата мають бути герметичними, інакше реактор просто не зможе працювати. Проте при проектуванні ITER велика увага приділялася радіаційній безпеці як за нормальної експлуатації, так і під час можливих аварій.

Для того, щоб запобігти розповсюдженню тритію та пилу, якщо вони вийдуть за межі вакуумної камери та кріостату, необхідна спеціальна система вентиляції, яка повинна підтримувати в будівлі реактора знижений тиск. Тому з будівлі не буде витоку повітря, окрім як через фільтри вентиляції.

При будівництві реактора, наприклад ITER , де тільки можливо, будуть застосовуватися матеріали, які вже випробувані в ядерній енергетиці. Завдяки цьому наведена радіоактивність буде порівняно невеликою. Зокрема навіть у разі відмови систем охолодження природної конвекції буде достатньо для охолодження вакуумної камери та інших елементів конструкції. є екзотермічною забезпечуючи отримання невеликої енергії для реактора. Реакція з 7 Li є ендотермічною - але не споживає нейтронів. Принаймні деякі реакції 7 Li необхідні для заміни нейтронів, втрачених реакції з іншими елементами. Більшість конструкцій реактора використовують природні суміші ізотопів літію.

Існують, теоретично, альтернативні види палива, які позбавлені зазначених недоліків. Але їхньому використанню перешкоджає фундаментальне фізичне обмеження. Щоб отримати достатньо енергії з реакції синтезу, необхідно утримувати досить щільну плазму при температурі синтезу (10 8 K) протягом певного часу. Цей фундаментальний аспект синтезу описується добутком щільності плазми. nтимчасово вмісту нагрітої плазми τ , що потрібно досягнення точки рівноваги. твір nτ залежить від типу пального та є функцією температури плазми. З усіх видів пального дейтерій-тритієва суміш вимагає найнижчого значення nτ щонайменше на порядок, і найнижчу температуру реакції, щонайменше в 5 разів. Таким чином, реакція D-T є необхідним першим кроком, проте використання інших видів пального залишається важливим завданням досліджень. [ ]

Енергія синтезу розглядається багатьма дослідниками як «природне» джерело енергії в довгостроковій перспективі. Прихильники комерційного використання термоядерних реакторів для виробництва електроенергії наводять такі аргументи на їхню користь:

Критики вказують, що питання рентабельності ядерного синтезу у виробництві електроенергії у спільних цілях залишається відкритим. У тому ж дослідженні, проведеному на замовлення Бюро науки і техніки британського парламенту, зазначається, що собівартість виробництва електроенергії з використанням термоядерного реактора буде, ймовірно, у верхній частині спектра вартості традиційних джерел енергії. Багато залежатиме від доступної в майбутньому технології, структури та регулювання ринку. Вартість електроенергії безпосередньо залежить від ефективності використання, тривалості експлуатації та вартості утилізації реактора.

Незважаючи на поширений оптимізм (з початку перших досліджень 1950-х років), суттєвих перешкод між сьогоднішнім розумінням процесів ядерного синтезу, технологічними можливостями та практичним використанням ядерного синтезу досі не подолано. Неясним є навіть те, наскільки можливо рентабельним виробництво електроенергії з використанням термоядерного синтезу. Хоча спостерігається постійний прогрес у дослідженнях, дослідники постійно стикаються з новими проблемами. Наприклад, проблемою є розробка матеріалу, здатного витримати нейтронне бомбардування, яке, як оцінюється, має бути в 100 разів інтенсивніше, ніж у традиційних ядерних реакторах. Тяжкість проблеми погіршується тим, що перетин взаємодії нейтронів з ядрами зі зростанням енергії перестає залежати від числа протонів і нейтронів і прагне перетину атомного ядра - і для нейтронів енергії 14 МеВ просто не існує ізотопу з малим перерізом взаємодії. Це зумовлює необхідність дуже частої заміни конструкцій D-T- і D-D-реактора і знижує його рентабельність настільки, що вартість конструкцій реакторів з сучасних матеріалівдля цих двох типів виявляється більше вартості виробленої ними енергії. Рішення можливі трьох типів [ ] :

Побічні реакції D-D(3 %) при синтезі D-He ускладнюють виготовлення рентабельних конструкцій для реактора, хоча можливі на сучасному технологічному рівні.

Наступним кроком у дослідженнях має стати (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). На цьому реакторі планується провести дослідження поведінки високотемпературної плазми (палаюча плазма з Q~ 30) та конструктивних матеріалів для промислового реактора.

Остаточною фазою досліджень стане DEMO: прототип промислового реактора, на якому буде досягнуто займання, та продемонстровано практичну придатність нових матеріалів. Найоптимістичніші прогнози завершення фази DEMO: 30 років. Після DEMO може розпочатися проектування і будівництво комерційних термоядерних реакторів (умовно називаються ТЯЕС - термоядерні електростанції). Будівництво ТЯЕС може розпочатися не раніше 2045 року.

Загалом у світі було збудовано близько 300 токамаків. Нижче перераховані найбільші їх.

Вперше завдання щодо керованого термоядерного синтезу в Радянському Союзі сформулював та запропонував для неї деяке конструктивне рішення радянський фізик Лаврентьєв О. А. . Крім нього важливий внесок у вирішення проблеми зробили такі видатні фізики, як А. Д. Сахаров та І. Є. Тамм, а також Л. А. Арцимович, який очолював радянську програму з керованого термоядерного синтезу з 1951 року.

Історично питання керованого термоядерного синтезу на світовому рівні виникло в середині XX століття. Відомо, що І. В. Курчатов в 1956 висловив пропозицію про співпрацю вчених-атомників різних країн у вирішенні цієї наукової проблеми. Це сталося під час відвідин Британського ядерного центру «Харуелл» ( англ.) .

Типи реакцій

Реакція синтезу полягає в наступному: два або більше атомних ядра в результаті застосування деякої сили зближуються настільки, щоб сили, що діють на таких відстанях переважали над силами кулонівського відштовхування між однаково зарядженими ядрами, в результаті чого формується нове ядро . При створенні нового ядра виділиться велика енергія сильної взаємодії. За відомою формулою E=mc² вивільнивши енергію, система нуклонів втратить частину своєї маси. Атомні ядра, що мають невеликий електричний заряд, простіше звести на потрібну відстань, тому важкі ізотопи водню є одними з кращих видівпалива для реакції синтезу

Встановлено, що суміш двох ізотопів, дейтерію і тритію, вимагає найменше енергії для реакції синтезу в порівнянні з енергією, що виділяється під час реакції. Однак, хоча суміш дейтерію та тритію (D-T) є предметом більшості досліджень синтезу, вона в жодному разі не є єдиним видом потенційного пального. Інші суміші можуть бути простішими у виробництві; їх реакція може надійніше контролюватись, або, що більш важливо, виробляти менше нейтронів. Особливий інтерес викликають так звані «безнейтронні» реакції, оскільки успішне промислове використання такого пального означатиме відсутність довготривалого радіоактивного забруднення матеріалів та конструкції реактора, що, у свою чергу, могло б позитивно вплинути на громадську думку та на загальну вартість експлуатації реактора, суттєво зменшивши витрати на виведення з експлуатації та утилізацію. Проблемою залишається те, що реакцію синтезу з використанням альтернативних видів пального набагато складніше підтримувати, тому D-T реакція вважається необхідним першим кроком.

Керований термоядерний синтез може використовувати різні види термоядерних реакцій залежно від виду палива, що застосовується.

Реакція дейтерій + тритій (Паливо D-T)

Найлегше здійснена реакція - дейтерій + тритій:

2 H + 3 H = 4 He + n за енергетичного виходу 17,6 МеВ (мегаелектронвольт).

Така реакція найлегше здійснена з погляду сучасних технологій, дає значний вихід енергії, паливні компоненти дешеві. Недолік - вихід небажаної нейтронної радіації.

Два ядра: дейтерію і тритію зливаються, з утворенням ядра гелію (альфа-частка) і високоенергетичного нейтрону:

Токамак (тороїдальна камера з магнітними котушками) - тороїдальна установка для магнітного утримання плазми. Плазма утримується не стінами камери, які не здатні витримати її температуру, а спеціально створюваним магнітним полем. Особливістю токамака є використання електричного струму, що протікає через плазму для створення тороїдального поля, необхідного для рівноваги плазми

Реакція дейтерій + гелій-3

Істотно складніше, на межі можливого, здійснити реакцію дейтерій + гелій-3

2 H + 3 He = 4 He + за енергетичного виходу 18,4 МеВ.

Умови її досягнення значно складніші. Гелій-3, крім того, є рідкісним та надзвичайно дорогим ізотопом. У промислових масштабах нині немає. Однак може бути отриманий з тритію, що отримується у свою чергу на атомних електростанціях; або здобутий на Місяці.

Реакція між ядрами дейтерію (D-D, монопаливо)

На додаток до основної реакції у ДД-плазмі також відбуваються:

Інші типи реакцій

«Безнейтронні» реакції

Найбільш перспективні так звані «безнейтронні» реакції, так як породжуваний термоядерним синтезом нейтронний потік (наприклад, реакції дейтерій-тритій) забирає значну частину потужності і породжує наведену радіоактивність в конструкції реактора. Реакція дейтерій + гелій-3 є перспективною навіть через відсутність нейтронного виходу.

Реакції на легкому водні

D + T → 4 He (3,5 МеВ) + n (14,1 МеВ).

Однак при цьому більша частина (більше 80%) кінетичної енергії, що виділяється, припадає саме на нейтрон. В результаті зіткнень уламків з іншими атомами ця енергія перетворюється на теплову. Крім цього, швидкі нейтрони створюють значну кількість радіоактивних відходів. На відміну від цього, синтез дейтерію та гелію-3 майже не виробляє радіоактивних продуктів:

D + 3 He → 4 He (3,7 МеВ) + p (14,7 МеВ), де p – протон.

Це дозволяє використовувати простіші та ефективніші системи перетворення кінетичної реакції синтезу, такі як магнітогідродинамічний генератор .

Конструкції реакторів

Існують дві принципові схеми здійснення керованого термоядерного синтезу, розробки яких продовжуються в даний час (2012):

Перший вид термоядерних реакторів набагато краще розроблений та вивчений, ніж другий.

Радіаційна безпека

Термоядерний реактор набагато безпечніший за ядерний реактор у радіаційному відношенні. Насамперед, кількість радіоактивних речовин, що знаходяться в ньому, порівняно невелика. Енергія, яка може виділитися внаслідок будь-якої аварії, теж мала і не може призвести до руйнування реактора. При цьому конструкції реактора є кілька природних бар'єрів, що перешкоджають поширенню радіоактивних речовин. Наприклад, вакуумна камера та оболонка кріостата мають бути герметичними, інакше реактор просто не зможе працювати. Тим не менш, при проектуванні ITER велика увага приділялася радіаційній безпеці як за нормальної експлуатації, так і під час можливих аварій.

Є кілька джерел можливого радіоактивного забруднення:

радіоактивний ізотоп водню - тритій;
наведена радіоактивність у матеріалах установки в результаті опромінення нейтронами;
радіоактивний пил, що утворюється внаслідок дії плазми на першу стінку;
радіоактивні продукти корозії, які можуть утворюватися у системі охолодження.

При будівництві реактора, ITER, наприклад, де тільки можливо, будуть застосовуватися матеріали, вже випробувані в ядерній енергетиці. Завдяки цьому наведена радіоактивність буде порівняно невеликою. Зокрема навіть у разі відмови систем охолодження, природної конвекції буде достатньо для охолодження вакуумної камери та інших елементів конструкції.

Оцінки показують, що навіть у разі аварії радіоактивні викиди не становитимуть небезпеки для населення та не викличуть необхідності евакуації.

Цикл палива

Реактори першого покоління будуть, найімовірніше, працювати на суміші дейтерію та тритію. Нейтрони, які з'являються в процесі реакції, поглинуться захистом реактора, а тепло, що виділяється, буде використовуватися для нагрівання теплоносія в теплообміннику, і ця енергія, у свою чергу, буде використовуватися для обертання генератора.

. .

Реакція синтезу як промислове джерело електроенергії

Енергія синтезу розглядається багатьма дослідниками (зокрема, Крістофером Ллуеллін-Смітом) як «природне» джерело енергії в довгостроковій перспективі. Прихильники комерційного використання термоядерних реакторів для виробництва електроенергії наводять такі аргументи на їхню користь:

Вартість електроенергії порівняно з традиційними джерелами

Окремо стоїть питання вартості досліджень. Країни Євросоюзу витрачають близько 200 млн. євро щорічно на дослідження, і прогнозується, що потрібно ще кілька десятиліть, поки промислове використання ядерного синтезу стане можливим. Прихильники альтернативних неядерних джерел електроенергії вважають, що було б доцільніше спрямувати ці кошти на використання відновлюваних джерел електроенергії.

Доступність комерційної енергії ядерного синтезу

Незважаючи на поширений оптимізм (з початку перших досліджень 1950-х років), суттєвих перешкод між сьогоднішнім розумінням процесів ядерного синтезу, технологічними можливостями та практичним використанням ядерного синтезу досі не подолано. Неясним є навіть те, наскільки можливо рентабельним виробництво електроенергії з використанням термоядерного синтезу. Хоча спостерігається постійний прогрес у дослідженнях, дослідники постійно стикаються з новими проблемами. Наприклад, проблемою є розробка матеріалу, здатного витримати нейтронне бомбардування, яке, як оцінюється, має бути в 100 разів інтенсивніше, ніж у традиційних ядерних реакторах. Тяжкість проблеми погіршується тим, що перетин взаємодії нейтронів з ядрами зі зростанням енергії перестає залежати від числа протонів і нейтронів і прагне перетину атомного ядра - і для нейтронів енергії 14 МеВ просто не існує ізотопу з малим перерізом взаємодії. Це зумовлює необхідність дуже частої заміни конструкцій D-T і D-D реактора і знижує його рентабельність настільки, що вартість конструкцій реакторів із сучасних матеріалів для цих двох типів виявляється більшою за вартість виробленої на них енергії. Рішення можливі трьох типів:

Відмова від чистого ядерного синтезу та вживання його як джерело нейтронів для поділу урану або торію.
Відмова від D-T та D-D синтезу на користь інших реакцій синтезу (наприклад D-He).
Різке здешевлення конструкційних матеріалів чи розробка процесів їх відновлення після опромінення. Потрібні також гігантські вкладення матеріалознавство, але перспективи неопределенные.

Побічні реакції D-D (3 %) при синтезі D-He ускладнюють виготовлення рентабельних конструкцій для реактора, але не можливі на сучасному технологічному рівні.

Розрізняють такі фази досліджень:

1. рівновагу або режим «перевалу»(Break-even): коли загальна енергія, що виділяється у процесі синтезу, дорівнює загальної енергії, витраченої на запуск та підтримку реакції. Це співвідношення позначають символом Q.

2. Палаюча плазма(Burning Plasma): проміжний етап, на якому реакція підтримуватиметься головним чином альфа-частинками, які продукуються в процесі реакції, а не зовнішнім підігрівом. Q ≈ 5. Досі (2012) не досягнуто.

3. Запалення(Ignition): стабільна реакція, що самопідтримується. Повинна досягатися при великих значеннях Q. Досі не досягнуто.

Наступним кроком у дослідженнях має стати Міжнародний термоядерний експериментальний реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). На цьому реакторі планується провести дослідження поведінки високотемпературної плазми (палаюча плазма з Q~ 30) та конструктивних матеріалів для промислового реактора.

Остаточною фазою досліджень стане DEMO: прототип промислового реактора, на якому буде досягнуто займання, та продемонстровано практичну придатність нових матеріалів. Найоптимістичніші прогнози завершення фази DEMO: 30 років. Враховуючи орієнтовний час на побудову та введення в експлуатацію промислового реактора, нас відокремлює ~40 років від промислового використання термоядерної енергії.

Існуючі токамаки

Загалом у світі було збудовано близько 300 токамаків. Нижче перераховані найбільші їх.

СРСР та Росія
- Т-3 – перший функціональний апарат.
- Т-4 – збільшений варіант Т-3
- Т-7 - унікальна установка, в якій вперше у світі реалізована відносно велика магнітна система з надпровідним соленоїдом на базі ніобату олова, що охолоджується рідким гелієм. Головне завдання Т-7 було виконано: підготовлено перспективу для наступного покоління надпровідних соленоїдів термоядерної енергетики.
- Т-10 та PLT - наступний крок у світових термоядерних дослідженнях, вони майже однакового розміру, що дорівнює потужності, з однаковим фактором утримання. І отримані результати ідентичні: на обох реакторах досягнуто заповітної температури термоядерного синтезу, а відставання за критерієм Лоусона - всього в двісті разів.
- Т-15 - реактор сьогоднішнього дня з надпровідним соленоїдом, що дає поле напруженістю 3,6 Тл.

Лівія
- ТМ-4А

Посилання

Є.П. Веліхів; С.В. МирновКерований термоядерний синтез виходить на фінішну пряму (PDF). Троїцький інститут інноваційних та термоядерних досліджень. Російський науковий центр "Курчатовський інститут".. ac.ru. - Популярний виклад проблеми.. Архівовано з першоджерела 5 лютого 2012 року. Перевірено 8 серпня 2007 року.
К. Ллуеллін-Сміт.Дорогою до термоядерної енергетики. Матеріали лекції, прочитаної 17 травня 2009 року у ФІАН.
Грандіозний експеримент із термоядерного синтезу проведуть у США.

Див. також

Примітки

Бондаренко Б. Д. «Роль О. А. Лаврентьєва у постановці питання та ініціювання досліджень з керованого термоядерного синтезу в СРСР» // УФН 171 , 886 (2001).
Відгук А. Д. Сахарова, опублікований у розділі «З Архіву Президента Російської Федерації». УФН 171 , 902 (2001), стор 908.
Наукове співтовариство фізиків СРСР. 1950-ті-1960-ті роки. Документи, спогади, дослідження/ Упорядники та редактори П. В. Візгін та А. В. Кессених. - СПб. : РДХА, 2005. – Т. I. – С. 23. – 720 с. - 1000 екз.
У ранніх термоядерних боєприпасах США використовувався також і дейтерид природного літію, що містить в основному ізотоп літію з масовим числом 7. Він також є джерелом тритію, але для цього нейтрони, що беруть участь у реакції, повинні мати енергію 10 МеВ і вище.
Термоядерні електростанції безнейтронного циклу (наприклад D + 3 He → p + 4 He + 18,353 МеВ) c МГД-генератором на високотемпературній плазмі;
Є. П. Веліхов, С. В. ПутвінськийТермоядерний реактор. Fornit (22 жовтня 1999 року). - Доповідь від 22.10.1999, виконана у рамках Energy Center of the World Federation of Scientists. Архівовано з першоджерела 5 лютого 2012 року. Перевірено 16 січня 2011 року.
(англ.) Postnote: Nuclear Fusion, 2003
EFDA | European Fusion Development Agreement
Tore Supra
Tokamak Fusion Test Reactor
Princeton Plasma Physics Laboratory Overview
MIT Plasma Science & Fusion Center: research>alcator>
Home - Fusion Website
Fusion Plasma Research
The Artificial Sun-中安在线-english
Термояд вийшов із нуля - Газета. Ru
Інформація про фільм «Людина-павук 2» («Spider-Man 2») - Кінотеатр «Космос»

Ядерні технології
Інженерія
Матеріали
Ядерна енергія
Ядерна медицина
Ядерну зброю

Енергетика
структура за продуктами та галузями

Електроенергетика:
електроенергія

Традиційна

Теплові електростанції	Конденсаційна електростанція (КЕС) Теплоелектроцентраль (ТЕЦ)
Гідроенергетика	Гідроелектростанція (ГЕС) Гідроакумулююча електростанція (ГАЕС)
Атомна	Атомна електростанція (АЕС) Плавуча атомна електростанція (ПАТЕС)

Альтернативна

Геотермальна	Геотермальні електростанції (ГеоТЕС)
Гідроенергетика	Малі гідроелектростанції (МГЕС) Приливні електростанції (ПЕМ) Хвильові електростанції Осмотичні електростанції
Вітроенергетика	Вітряні електростанції (ВЕС)
Сонячна	Сонячні електростанції (СЕС)
Воднева	Водневі електростанції Установки на паливних елементах
Біоенергетика	Біоелектростанції (БіоТЕС)
Мала	Дизельні електростанціїГазопоршневі електростанції Газотурбінні установки малої потужності Бензинові електростанції

Схожі статті: