ФИЗИКА: как работает термоядерная энергия и почему мы ее не увидим в ближайшее время

Ответы на вопрос, почему и как устроена Вселенная. Написано для Тима, моего сына, но я уверен, что другим понравится читать.

Дорогой Тим,

в предыдущей статье Я писал об атомных электростанциях, работающих на основе управляемой цепной реакции деления, а вы выразили пожелание, чтобы я написал что-нибудь об обратном принципе, т.е. вместо деления – синтез.

Солнце

Как обычно, физики и инженеры вдохновлялись природой, нашим ближайшим термоядерным реактором, замечу естественным, является наше Солнце. Вам, конечно, приходит в голову, что если бы соединение атомов в более тяжелые элементы было простым делом, то легко было бы немного подтолкнуть свинец и сделать из него золото. Однако синтезу препятствует сильный электростатический барьер, образованный положительно заряженными протонами внутри атомного ядра, этот барьер был назван кулоновским. И его преодоление является причиной того, что ядерный синтез зарезервирован для мест с экстремальным давлением и температурой, таких как самые внутренние части звезд. И, конечно же, квантовая механика, даже частица, у которой недостаточно энергии, может квантово туннелировать через кулоновский барьер. Это справедливо как для Солнца, так и для наших устройств, и в результате это снижает общую энергию, необходимую для термоядерного синтеза.

В ядре нашей звезды происходит целый ряд реакций. Первый из них протон-протон, это реакция за счет слабого ядерного взаимодействия, крайне маловероятно, необходимо, чтобы один протон превратился в нейтрон и таким образом образовались дейтрон + позитрон и нейтрино. Просто чтобы дать вам представление о том, насколько это маловероятно — один протон ждет 9 миллиардов лет, чтобы стать нейтроном. Дейтерий — это атом водорода с одним протоном и одним нейтроном. По сравнению с обычным водородом там тоже нейтрон, это стабильный элемент и вода из него тяжелая вода.

Следующей реакцией является дейтрон с протоном с образованием He 3 и фотона. Это нуклонная реакция, поэтому при сильном ядерном взаимодействии (фотон — проявление электромагнетизма) дейтрон ждет в среднем четыре секунды. Поскольку создание дейтрона маловероятно, столь же маловероятно, что он встретится с другим дейтроном, но вокруг него летают протоны. Кроме того, в солнечном ядре может образовываться He4, может иметь место CNO и также цикл Солпитера, но об этом в другой раз.

Важно подытожить, что когда в начале Вселенной везде был только водород и немного гелия, то все остальные элементы были созданы путем термоядерного синтеза, будь то «мирно» в ядрах звезд, или взрывоопасно при взрывах новые, сверхновые, килоновые и т.

Маленькое солнце на Земле

На Земле мы просто пытаемся запустить маленькое солнце. Это в основном связано с температурами, которых мы должны достичь, ни один известный материал не может их выдержать, поэтому мы должны поддерживать всю реакцию предпочтительно в магнитной ловушке. Я говорю лучше, потому что есть и другие способы, но об этом ниже. Сам реактор оказывается между несколькими пожарами. Во-первых, в нем нужно магнитное поле в единицах Тесла, для чего нужны сверхпроводящие катушки. А чтобы быть сверхпроводящими, их нужно охладить очень сильно ниже нуля. С другой стороны, он удерживает поле плазмы при температурах в сотни миллионов кельвинов. Тут другое дело, вся конструкция ректора очень нежная, и при этом внутри выделяются нейтроны, которые бомбардируют стенки реакторной камеры. Так что реакторная камера должна быть максимально изолирована, но нам также необходимо отводить от нее тепло для выработки электроэнергии. Кроме того, куда-то приходится сбрасывать продукты реакции синтеза, дымовые газы и подавать в котел новое топливо.

Тогда возникает вопрос, как зажечь все это. С помощью магнитного поля можно индуцировать электрический ток в плазме и нагревать ее за счет омического сопротивления внутри вещества (что-то вроде резистивного нагрева). Затем плазма нагревается, как в микроволновке, высокочастотным радиоизлучением. И, наконец, вы можете сжечь нейтральные атомы в реакторе, чтобы получить где-то около требуемых 100 миллионов кельвинов. И все это мы делаем для того, чтобы отдельные атомы обладали такой большой кинетической энергией, что преодолевали кулоновский барьер.

Это называется магнитным удержанием плазмы. В настоящее время существует два разных типа устройств, первый, который можно назвать классическим, называется токамак. Он имеет реакторную камеру в форме американского бублика или плавательного колеса. В конце прошлого тысячелетия появилось новое направление, так называемые стеллаторы. У них очень сложная форма реакторной камеры, как если по-разному крутить плавательное колесо. Их разработка стала возможной только благодаря прогрессу компьютерных технологий, которые смогли правильно рассчитать все необходимое для магнитного поля стеллатора. Основным преимуществом этого устройства является лучшая стабильность плазмы и, следовательно, более легкое поддержание процесса синтеза.

Что сплавлять?

Это ключевой вопрос. Поэтому я прикрепил это изображение:

Так что мы можем выбирать. Эксперименты с дейтерием и тритием на сегодняшний день являются самыми передовыми, они имеют высокий энергетический выход, а гелий от синтеза дополнительно нагревает плазму. Но тритий сделать не просто, и даже быстрые нейтроны не приносят большой пользы, они не способствуют нагреву плазмы и не бомбардируют стенки корпуса реактора. Еще одна вещь, которая выглядит хорошо и, может быть, даже лучше, это дейтерий и He3. но He3 тоже не просто добыть, однако в будущем мы могли бы добывать его на Луне, куда его переносил солнечный ветер. Преимущество заключается в производстве He4 и протона, на все из которых можно воздействовать магнитным полем. Недостатком является то, что нам нужна гораздо более высокая температура, чтобы начать синтез.

Другое, популярное среди термоядерных стартапов, уравнение — протон и бор. Еще одним преимуществом является производство He4, у нас много бора. Принципиальным недостатком является действительно высокая температура для воспламенения термоядерного синтеза, возможно, даже 1 миллиард кельвинов. Например, на эту реакцию делают ставку HB11 Energy или TAE Technologies. Недавно они проверили практику японского стеллатора LHD, чтобы убедиться, что вся концепция работает. Они распылили микрочастицы бора в плазму, а затем выстрелили в плазму высокоскоростными протонами с помощью ранее упомянутых инжекторов нейтральных атомов и успешно обнаружили образование альфа-частиц, что является другим термином для He4. Пока эта реакция изучена только во втором типе устройств — устройствах с инерционным удержанием плазмы.

полость

Под инерционным удержанием плазмы можно представить небольшую полость, внутри нее крупицу материала для синтеза и гигантский лазер. Но не один, лазерный луч должен прийти со всех сторон и нагреть материал настолько, чтобы он взорвался. Сила взрыва сжимает зерно так, что внутри него начинается плавление. По инерции он какое-то время остается нажатым и происходит другая реакция, но потом все это дело гаснет, приходится заряжать лазеры, закладывать новый материал и снова дуть. По сути это термоядерные микровзрывы, для стабилизации всего устройства термоядерный материал дозируется микрограммами. А капсула, в которой он конкретно находится в Национальном центре зажигания (NIF), называется хольраум.

И именно на NIF в прошлом году во время одной из попыток удалось произвести больше энергии, чем нужно для запуска реакции, но я имею в виду энергию, вырабатываемую лазерами, а не общую энергию, необходимую для зарядки лазеров. Мой личный совет для будущей электростанции — это что-то вроде НИФ, а не гигантский токамак в виде установки ИТЭР, которая строится во Франции десятилетиями. Что также является ответом на вопрос, почему мы не получим термоядерную электростанцию ​​сразу.

Хотя: Никогда не говори никогда, Microsoft подписала контракт с Helion Energy на поставку энергии от термоядерной электростанции, которую они намерены реализовать до 2028 года. Не знаю, насколько амбициозен этот план, их устройство нечто среднее между токамак и ускоритель, в двух камерах хотят нагреть плазму дейтерия и Не3 до 100 миллионов кельвинов и потом стрелять ими друг в друга, чтобы зажечь реакцию. Так что держим кулачки, чтобы все получилось, пока у них только планы и ничего физически еще не построили.