Приручить энергию звезд | DevsDay.ru

Новости в IT Приручить энергию звезд

Технологии nplus1.ru 16 сентября 2020 г. 10:40 Игнат Шестаков


Международное энергетическое агентство предрекает, что к 2040 году спрос на электричество вырастет на 70 процентов. Решение грядущей энергетической проблемы ученые видят в приручении термоядерного синтеза – реакции, которая питает Солнце и звезды. N + 1 вместе с ГК «Росатом» рассказывают, почему это источник безопасной, чистой и практически безграничной энергии на Земле.


Саровский эксперимент

Топливом для термоядерного синтеза может служить дейтерий, запасов которого в морях и океанах хватит на сотни миллионов лет. В паре с ним может быть использован тритий, который нарабатывается в специальных реакторах. В отличие от существующих атомных реакторов, где расщепляются ядра плутония или урана, в случае с термоядерным синтезом нет риска неконтролируемой цепной реакции. Поскольку ядра не расщепляются, а сливаются, нет радиоактивных продуктов распада атомных ядер, требующих утилизации в быстрых ядерных реакторах или захоронения. В случае же чрезвычайной ситуации не будет многолетнего радиоактивного заражения, так как тритий, единственная радиоактивная составляющая термоядерного топлива, имеет гораздо меньший, по сравнению с топливом АЭС, период полураспада.

Впервые об использовании термоядерного синтеза для получения энергии заговорили в 1950-х годах в СССР. И вот спустя полвека исследований, разработок, испытаний ученые подошли к этапу, когда термоядерный синтез уже в обозримом будущем может доказать свою выгоду и целесообразность.

В Сарове к 2022 году планируется построить установку, реализующую концепцию лазерного термоядерного синтеза, при котором вещество мишени нагревается и сжимается до нужных температур и давления. Эту концепцию впервые в 1964 году предложили академики Николай Басов и Олег Крохин. Установка в Сарове будет в полтора раза мощнее самой крупной из ныне действующих подобных установок National Ignition Facility, которая расположена в США. Это пока еще не термоядерный реактор, такие установки не производят электричество, так как получаемое тепло просто отводится. Но позволяют проводить эксперименты для совершенствования технологии удержания плазмы. Одна из целей проекта заключается в демонстрации коммерческой жизнеспособности подобных реакторов.


Два к одному

Синтез подразумевает создание чего-то нового. Так и при термоядерном синтезе происходит слияние двух ядер атомов легких элементов, в результате чего образуется более тяжелый элемент. Наряду с образованием более тяжелых элементов выделяется большое количество избыточной кинетической энергии. Чтобы синтез произошел, нужно сблизить ядра легких элементов до расстояния размеров самого ядра. Тогда в действие вступят ядерные силы, которые вынудят два ядра слипнуться в одно. Это дает в 3 миллиона раз больше энергии, чем при сгорании одной молекулы углеводорода.

Однако соединить два ядра не так просто. Слиянию ядер препятствуют электрическая сила отталкивания Кулона. Эта сила растет обратно пропорционально квадрату расстояния между ними:

То есть для синтеза ядер и выделения избыточной энергии необходимо совершить работу против сил отталкивания.

Для термоядерного синтеза могут быть использованы элементы, близкие к гелию по атомной массе. Реакции синтеза возможны с участием лития, бора, гелия, бериллия и других. Легче всего происходит слияние изотопов водорода: дейтерия D и трития T. Ядро дейтерия – дейтрон – содержит один протон и один нейтрон. Два нейтрона и протон образуют ядро трития – тритон. Сечение и скорость протекания реакции D + T гораздо выше, чем у других кандидатов на участие в синтезе. Величина сечения реакции показывает вероятность взаимодействия элементарной частицы с атомным ядром или другой частицей и измеряется в барнах. Для реакции D + T значительно проще достичь состояния, когда выделившаяся энергия превысит затраты на процесс слияния. Температура, при которой будет проходить реакция термоядерного синтеза, составляет 10 килоэлектронвольт или 100 миллионов градусов. Тогда как другие элементы придется нагревать до 100 килоэлектронвольт. Такие температуры на Земле пока недостижимы.

Сами элементы достаточно доступны, чтобы производить энергию долго и в больших объемах. Дейтерий содержится в морской воде в соотношении одна часть на 6500 частей водорода. Тритий – это радиоактивный элемент, нестабилен, но имеет относительно малый период полураспада 12,4 года. В природе тритий появляется за счет соударения космического излучения с ядрами атомов азота в верхних слоях атмосферы. Поэтому его можно найти в осадочных породах. Также тритий получают как отход ядерных реакторов АЭС. Но для промышленного использования его нарабатывают в специальных реакторах, облучая стальные стержни с добавлением лития. В результате слияния реакции D + T получается гелий с атомной массой 4 и энергией 3,5 мегаэлектронвольт и быстрый нейтрон с энергией 14,1 мегаэлектронвольт. Таким образом, нейтрон, улетая, уносит большую часть энергии.

Для преодоления силы отталкивания, чтобы ядра атомов могли соединиться, нужно поместить вещество в условия крайне высокого давления. Достичь их можно повышением температуры вещества. Чем выше температура, тем выше скорость движения частиц, их среднекинетическая энергия и тем большее их количество может преодолеть кулоновский барьер.

На сегодняшний день сформировалось два основных подхода к осуществлению управляемого термоядерного синтеза. Первый – квазистационарные системы, в которых плазма низкой плотности (N ≈ 1014–1015 см−3, где N – количество молекул) удерживается в вакуумной камере магнитным полем от 1 до 10 секунд. К таким системам относятся токамаки, стеллараторы и линейные магнитные ловушки, которые различаются конфигурацией магнитного поля.

Токамаки продвинулись дальше всех. Установка получила такое название, так как представляет собой тороидальную вакуумную камеру, окруженную магнитными катушками. В токамаках направление движения и температура плазменного шнура поддерживается пущенным по нему тороидальным током. Впервые идею предложили советские физики из Курчатовского института Игорь Тамм и Андрей Сахаров в 1950 году. В 1954 году был построен первый токамак. К тому времени за рубежом уже были установлены несколько стеллараторов. Они отличаются геометрией, тщательно оптимизированной под движение плазменного шнура. Это позволяет отказаться от использования тороидальных токов, а значит, стелларатор в теории может обеспечить непрерывное протекание дейтериевой плазмы.

Токамаков с 1954 года по всему миру было построено около 300. Сейчас в России работают три токамака: Т-11М в ГНЦ РФ ТРИНИТИ, Т-10 в Курчатовском институте, ГЛОБУС-М2 в Санкт-Петербурге, в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе. В Курчатовском институте помимо установленного сооружается современный токамак Т-15 с вытянутым по вертикали поперечным сечением. Самый крупный и многообещающий представитель токамаков – Международный проект ИТЭР, сборка которого началась в этом году во Франции.

Второй подход – импульсные системы инерциального термоядерного синтеза. В таких системах сверхмощные лазеры или пучки высокоэнергетических частиц (ионов, электронов) кратковременно нагревают и сжимают небольшие мишени, содержащие дейтерий и тритий, до необходимых температур и плотности. В результате такого облучения при достижении определенных параметров возникает термоядерный микровзрыв. Этот вид синтеза называется инерциальным, потому что плазма удерживается от быстрого разлета собственными силами инерции, благодаря чему успевают пройти реакции слияния. Именно такой тип установки будет построен в Сарове.


Солнце из искры

В СССР первые эксперименты с лазерной термоядерной установкой были проведены в 1972 году в ФИАН. Тогда же началась активная разработка лазерных установок. За последние полвека были созданы такие мощнейшие лазерные установки, как «Искра 4», «Искра 5», «Луч».

С их помощью ученым удалось доказать, что лазерный импульс с энергией 500 килоджоулей способен поджечь термоядерную мишень с пластиковой оболочкой диаметром 1,5 миллиметра и толщиной стенки около 30 микрометров. В 1996 году РФЯЦ-ВНИИЭФ предложил создать мощную неодимовую лазерную установку, на которой можно было бы провести эксперименты по зажиганию термоядерной мишени. В 2019 году в Сарове был установлен центральный элемент установки – сфера, внутри которой мишень будет облучаться лазером. Ввод в эксплуатацию запланирован на 2022 год.

Сердце лазерной установки – сферическая камера взаимодействия. Она выполнена из алюминиевого сплава с толщиной стен 100 миллиметров. Ее диаметр 10 метров, масса 120 тонн. Транспортировать такую громадину было бы крайне проблематично, поэтому собирали ее неподалеку от места установки. На поверхности сферы расположены более 100 каналов для лазера. И все это укрыто зданием высотой 32 метра.

В центр сферы помещается мишень с дейтериево-тритиевой смесью, которая равномерно со всех сторон облучается многоканальным лазером. В результате воздействия излучения на поверхность мишени образуется горячая плазма с температурой в несколько килоэлектронвольт. В этот момент происходит микровзрыв такой же, как при взрыве термоядерной бомбы. Тем самым создаются условия, при которых термоядерные реакции успевают эффективно протекать за время существования инерциально удерживаемой плазмы.

Когда выходящая энергия становится равна затраченной, наступает момент, который физики называют «порогом зажигания». Для этого должен выполняться так называемый критерий Лоусона. Для реакции D – T он равен:

Здесь N – это плотность дейтериево-тритиевой смеси (количество частиц в кубическом сантиметре), τ – время эффективного протекания реакций синтеза

Для количественной оценки эффективности термоядерных реакций вводится коэффициент усиления по энергии Q, равный

Преимущество использования лазерного термоядерного синтеза по сравнению с квазистационарными системами в том, что лазер – это чистая электромагнитная волна, которая дает высокую мощность и возможность фокусировки. Ученые могут мгновенно нагреть плазму, и она становится предоставлена сама себе, не требуется специальных средств для ее удержания.


Лучи зажигания

Для запуска термоядерного синтеза, нужно сжать вещество до плотностей 100-1000 грамм на кубический сантиметр и нагреть его до температуры Т ≈ 5-10 килоэлектронвольт. Для этого необходимо создать давление на поверхности сферической мишени Р ≈ 5 ⋅ 109 атмосфер. Поэтому источником излучения должен подводить к поверхности мишени энергию с плотностью мощности q ≈ 1015 вольт на квадратный сантиметр.

Изначально, в теории ЛТС предполагалось просто нагревать топливо лазером. В таком случае пришлось бы вложить минимум 100 мегаджоулей лазерной энергии – что даже сейчас далеко за пределами возможностей техники. Однако позже были предложены схемы установок, не требующие таких огромных энергий для зажигания смеси. Согласно теоретическим оценкам, лазер должен иметь КПД не ниже 5 процентов при энергии излучения 1-3 мегаджоуля, длительности импульсов (2 - 3)·10-9 секунды и частоту их повторения 1-10 герц. Лазеры должны стоять на расстоянии 30-50 метров от реактора и обеспечивать фокусировку излучения на мишень размером от 1/3 миллиметра до 1 сантиметра.

Но при нынешнем уровне развития технологий создать лазер, который бы выдавал такую мощность за такой короткий промежуток времени невозможно. Ученые нашли выход – сделали лазер по принципу конденсатора, накопителя энергии. Оказалось, что энергию можно накопить в веществе, а именно в стеклах, содержащих минерал неодим. Его атомы можно возбудить и перевести в состояние, которое позволит накопить энергию для необходимого лазерного импульса. При подаче излучения энергия накапливается в неодимовых стеклах, изолированных в емкостях, которые отсечены от каналов, ведущих к мишени, электрооптическими затворами. Скорость открытия затворов 10-9 секунды. Через них накопленная энергия попадает в резонатор, состоящий из двух зеркал. Там уже собирается лазерный импульс с необходимой энергией, который затем выпускается в оптический канал к мишени.

В Сарове на установке будет использоваться лазер УФЛ-2М. Он представляет собой 192-канальный твердотельный лазер на неодимовом стекле с размером пучка 400×400 квадратных миллиметров. Запланированная мощность энергии УФЛ-2М на выходе составляет 4,6 мегаджоулей, а на мишени – 2,8 мегаджоулей. Накопители энергии будут потреблять 11 мегаватт. В качестве мишени в установках ЛТС используется шарик, внутри которого находятся замороженные изотопы водорода. Мишень имеет жесткие требования: неоднородность толщины стенки микросферы не должна превышать 1 процент, однородность распределения поглощения энергии по поверхности мишени – 0,5 процента. Предполагается, что это позволит достигнуть коэффициента усиления по энергии Q ∼ 100. Раньше никому в мире не удавалось зажечь термоядерную мишень. Возможно, это окажется по силам физикам в Сарове.

Чтобы узнать больше об атомной промышленности — переходите на www.atom75.ru.

Физики возлагают большие надежды на установки класса «мегаджоуль». Но уверенности в том, что на них удастся зажечь термоядерную реакцию, нет. Строить такие лазеры очень дорого. Но если в итоге будет создан эффективный лазерный термоядерный реактор, многие захотят себе такой. Тогда оборудование для него начнут производить серийно, и установка подешевеет.

Саровская установка – оборудование нового поколения для фундаментальных исследований в области лазерного термоядерного синтеза, которое в будущем может найти применение в энергетике. Возможно, даже в виде коммерческого термоядерного реактора. Даже учитывая, что термоядерные реакторы еще не скоро смогут стать рентабельными, они уже могут начать приносить пользу. Например, проводя эксперименты на них, ученые могли бы одновременно сжигать отработанное ядерное топливо. Запуск установок такого масштаба не только приближает возможность создания термоядерного реактора на основе лазерного термоядерного синтеза, но и позволит исследователям изучать уникальный объект – термоядерный микровзрыв, мощный источник нейтронного, нейтринного, рентгеновского и γ-излучений. Это может привести к очень важным открытиям в физике, в том числе в области космических излучений, а также позволит решать задачи прикладного характера.



Тимофей Кочкар

Источник: nplus1.ru


Читайте также


Выпуск дистрибутива KaOS 2020.09

DevOps OpenNET 24 сентября 2020 г. 13:37
Представлен выпуск KaOS 2020.09, дистрибутива с непрерывной моделью обновления, нацеленного на предоставление рабочего стола на основе свежих выпусков KDE и приложений, использующих Qt. Дистрибутив развивается с оглядкой на Arch Linux, но поддержива...... читать далее

Python. Урок 24. Потоки и процессы в Python. Часть 3. Управление процессами

Разработка devpractice.ru 24 сентября 2020 г. 11:44
Продолжаем изучать параллельное программирование на Python. На этот раз разберемся с тем как создавать процессы, управлять завершением их работы и изучим особенности процессов-демонов. Процессы в Python Класс Process Создание и ожидание завершения ра...... читать далее
Python Python-разработчику Уроки по Python Concurrency Параллельное программирование

SEO postium.ru 24 сентября 2020 г. 11:33

В Facebook перестанет действовать ограничение по количеству текста на креативе, которое составляет 20% от всего пространства рекламного изображения. Теперь рекламные объявления для Facebook и Instagram, содержащими более 20% текста, не будут ставитьс...... читать далее

Новости Обновления Facebook Обновления в Instagram Реклама в социальных сетях Таргетированная реклама

Дизайн Дизайн-кабак 24 сентября 2020 г. 11:32

Деньги — почти как секс, потому что говорить о них не принято. Фраза «в какой позе ты любишь?» вызовет такое же смущение, как и фраза «сколько денег ты получил за этот проект?». Грустно, что в эпоху открытого интернета документы с реальными открытыми...... читать далее

lwd-moscow money-management design-thinking women-community ladies-wine-design

Разработка python-scripts.com 24 сентября 2020 г. 11:28

WordPress претерпел огромные изменения в том, как он справляется со своей основной... Запись 15 лучших бесплатных тем WordPress 2020 года, оптимизированных для редактора Gutenberg впервые появилась Python 3.... читать далее

Разное из мира IT

Дизайн say-hi.me 24 сентября 2020 г. 10:33

В начале сентября 2020 года состоялся национальный конкурс питчингов для стартапов и уже […] Запись В Украине выбрали креативные стартапы, которые поедут на международный фестиваль в Копенгагене впервые появилась Сей-Хай.... читать далее

Новости Creative practice Украина

Разработка wpbeginner.com 24 сентября 2020 г. 10:08

Are you looking for easy ways to manage, track, and control file downloads on your WordPress site? A WordPress file download manager can help you easily manage downloads, track analytics, and control permissions on file downloads. With the right tool...... читать далее

WordPress Plugins downloads in wordpress how to control downloads in wordpress how to control file downloads in wordpress how to manage downloads in wordpress how to manage file downloads in wordpress how to restrict downloads in wordpress how to restrict file downloads in wordpress how to track downloads in wordpress wordpress download manager