Ядерный синтез технология токамак стелларатор z-пинч

Ядерный синтез технология токамак стелларатор z-пинч

Создание неиссякаемого источника энергии посредством инструмента ядерный синтез – давняя мечта человечества. Однако, создание полностью контролируемой среды, где атомные ядра непрерывно взаимодействуют в условиях экстремальных давлений и температур – задача крайне сложная. Но именно за счёт этого возможным становится неиссякаемый источник энергии, о котором мечтают люди. Рассмотрим существующие подходы, среди которых есть многообещающие и не очень.

Ядерный синтез и особенности уникального процесса

Синтез и деление как процессы производства ядерной энергии отличаются один от другого. Если ядерный синтез направлен на объединение отдельных атомов в более крупную структуру, ядерное деление, напротив, предполагает разрыв атома нейтроном. Оба процесса, однако, сопровождаются выходом значительной массы энергии. Правда, по мнению учёных, процесс синтез даёт несколько большее количество.

Энергия, полученная делением ядер внутри реакторов, применяется под нагрев воды до состояния пара. В свою очередь выработанный пар применяют для вращения турбин, вырабатывающих электрический ток. На первый взгляд относительно несложная схема, но при этом образуются «долгоживущие» радиоактивные отходы, несущие значительные риски для людей.

Другой вариант — ядерный синтез, исключает появление «долгоживущих» ядерных отходов. Применяемые в процессе материалы допускают полную переработку в течение 100 лет. Ядерный синтез исключает риски расплавления реактора, так как здесь проходят высокотемпературные реакции, быстро охлаждаемые в случае сбоев.

По сути, ядерный синтез на Солнце является примером построения источника энергии, который стремятся создать учёные Земли. Там, на Солнце, мощные гравитационные силы удерживают водород от выхода из атмосферы планеты, а интенсивно образующиеся температура и давление способствуют преобразованию газа в плазму. Ядра плазмы сталкиваются с высокой скоростью, в результате чего образуется гелий и высвобождается огромное количество энергии.

Так что, солнечное тепло и свет планеты — это фактически ядерный синтез на Солнце, воспринимаемый на Земле, после преодоления значительного расстояния. По меркам космоса преодоление расстояния всего за восемь минут – дело нехитрое. Но космос и малая песчинка планета Земля, в принципе, несопоставимые объекты. В этом ещё одна проблема для учёных, стремящихся создать неиссякаемый источник энергии.

Также следует отметить гравитационные силы Солнца, которые в десятки раз больше, чем на Земле. Поэтому необходим творческий подход в плане изысканий оптимального количества топлива под реакции ядерного синтеза. Наиболее предпочтительным видится подход, где предполагается использование магнитных полей под удержание двух тяжёлых форм водорода (дейтерий, тритий). Искусственно создаваемая установка такого типа именуется — токамак.

Что такое токамак и каким будет ядерный синтез?

Токамак — система магнитного сдерживания, применимая под ядерный синтез.  Считается наиболее целесообразной конструкцией с точки зрения выработки чистой ядерной энергии.

Конструкция токамака содержит ряд катушек индуктивности, размещаемых по окружности. Получается своеобразный тороидальный реактор, где плазма нагревается за счёт формирования сильного внутреннего тока. Плазму необходимо удерживать на месте достаточно долго, до момента полного слияния ядер.

ДЕТЕКТОР

Ядерный синтез технология - конструкция на токамак
Схема на токамак:1 — тороидальные катушки; 2 — ток катушек; 3 — внутренняя полоидальная катушка; 4 — внешняя полоидальная катушка; 5 — резервуар под вакуумом; 6 — плазма; 7 — ток плазмы; 8, 9, 10 — магнитные поля: тороидальное, полоидальное, скрученное

Учёным мира удалось продвинуться достаточно далеко в этом направлении. Из последних разработок можно отметить экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак, созданный специалистами Китая. Как сообщалось в 2018 году, на этом устройстве китайцы получили температуру 100 000 000°C.

Ещё одно устройство – продукт корейских специалистов, токамак «KSTAR» (Superconducting Tokamak Advanced Research), продемонстрировал мировой рекорд. Система удерживала плазму температурой 100 000 000°C на протяжении 20 секунд по времени.

Но, несмотря на всё достигнутое, так называемая точка безубыточности энергии для процесса ядерного синтеза остаётся неуловимой. Теперь все надежды на устройство следующего поколения, на данный момент остающееся на стадии разработки. Речь идёт о термоядерном экспериментальном реакторе, создаваемом международной группой специалистов.

Этот действительно уникальный энергетический проект человечества «ITER» (International Thermonuclear Experimental Reactor) создают специалисты 35 стран мира. Предполагается завершение проекта на момент 2025 года. Если событие произойдёт, мир получит крупнейшую установку ядерного синтеза из всех созданных за всё время.

Конструкция ITER на семь этажей позволит принимать потоки плазмы более мощные, чем позволяют современные токамаки. Токамак ITER рассчитан на выработку 500 МВт мощности из 50 МВт. Такое соотношение, демонстрирует чистый выигрыш в получении энергии.

Но, как сообщается, получаемая энергия не предполагает конечного продукта в виде электричества. Оказывается, ITER делается в качестве своего рода испытательного стенда для разработки новых технологий термоядерных электростанций.

Что такое стелларатор и чем отличается от токамака?

Аналогично устройству токамак, система стелларатор способна удерживать потоки плазмы в условиях замкнутой камеры. Достигается эффект опять же посредством катушек индуктивности, но с некоторыми ключевыми особенностями.

Для этой конструкции нехарактерна симметричная форма. Устройство стелларатор отличается конструктивно тем, что распределяет плазму неправильными кругами. Вращение образуется сложной серией магнитных катушек. На первый взгляд процесс может показаться нелогичным, но фактически именно так достигается лучшая стабильность плазмы по причине образования разных внутренних токов.

ЯДЕРНЫЙ

Ядерный синтез технология - конструкция на стелларатор
Вот такой, несколько видоизменённой, выглядит под ядерный синтез конструкция на стелларатор: 1 — термоядерные рабочие камеры; 2 — магнитные рабочие элементы

Если тороидальный реактор использует значительные вихревые токи, чтобы «скручивать» всю плазму, стеллараторный реактор «скручивает» только поперечное сечение изгиба. При таком решении исключается требование больших внутренних токов для создания скручивания. Одним из примеров является установка «Wendelstein 7-X», — крупнейший в мире стелларатор, запущенный в 2015 году и постепенно развиваемый.

Так, в 2016 году на «Wendelstein 7-X» гелиевую плазму учёные заменили водородной плазмой. Удалось достичь фактора удержания плазмы продолжительностью более 100 секунд на момент 2018 года. Процесс сопровождался температурами выше Солнца (20 000 000°C) , демонстрируя значительно больший выход энергии. Однако всё это остаётся лишь на стадии экспериментов.

Электрический воздушный компрессор, 220В/110В 30 мпаЭлектрический воздушный компрессор высокого давленияЭлектрический воздушный насос высокого давления

Полный отказ от магнитного управления плазмой

Инерционное удержание — новое направление исследований в области ядерного синтеза. Этот подход предполагает применение точно нацеленных лазерных (ионных) лучей для быстрого нагрева топливной «таблетки» дейтерия и трития. Воздействием внезапным сильным нагревом вызывается сила сжатия, способствующая цепной реакции через слои материала.

В этом случае также допустим ядерный синтез с высвобождением значительного количества энергии. Одним из примеров здесь является проект австралийской компании «HB11 Energy». Специалисты компании решили применить нерадиоактивный подход, где применяется водород и бор-b11.

Как отмечается, в данном варианте нет нужды греть топливо до сверхвысоких температур. Достаточно воздействовать на топливные «таблетки» парой лазеров:

  1. Одним лазером создаётся магнитное удерживающее поле.
  2. Вторым лазером запускается цепная реакция синтеза водорода и бора.

В результате создаются частицы, способные генерировать электрический ток. Полученный ток допустимо напрямую подавать в существующую энергосистему. То есть отпадает необходимость иметь паротурбинный генератор (теплообменник), исключаются риски расплавления.

Между тем технология опять же остаётся на уровне проведения экспериментов, пусть даже и показывает скорость реакции в миллиард раз выше прогнозируемой. Разработчики надеются на быстрое развитие и тешатся надеждами обойти другие существующие подходы.

Z-пинч или ядерный синтез инерционного удержания

Очередным привлекающим подходом на ядерный синтез с инерционным удержанием позиционируется так называемый Z-пинч (Z-pinch). Здесь тоже вместо применения сложных габаритных индуктивностей удержания потоков плазмы на месте предлагается иное решение.

Новый подход Z-пинч делает расчёт на электромагнитное поле, генерируемое внутри самой плазмы. Что примечательно, технология Z-пинч считалась «тёмной лошадкой» в гонке за ядерным синтезом. Эта технология обещала значительно более простую конфигурацию, по сравнению с теми же токамаками и стеллараторами.

СЧЁТЧИК

Ядерный синтез технология - практический экспериментальный z-пинч
Пример получения экспериментальным путём термоядерной реакции с помощью использования относительно нового технологического подхода Z-пинч, реальное применение которого остаётся под вопросом

Тем не менее, в процессе экспериментов обнаружилась нестабильность поведения плазмы — выход за пределы силовых линий магнитного поля с последующим образованием дефектных выпуклостей.

На момент 2019 года американцы придумали способ сглаживания выпуклостей через настройку гидродинамики плазмы. Экспериментально внутри колонны Z-пинча длиной 50 см учёным удалось удерживать текущую плазму в 5000 раз дольше, чем статическую плазму. При этом наблюдались энергичные нейтроны — контрольные признаки ядерного синтеза.

Казалось бы, многообещающие технологии:

  • лазерный подход HB11,
  • колонны Z-pinch,

тем не менее, сопровождаются серьёзными проблемами, когда эксперимент касается обеспечения непрерывной мощности. Та же технология Z-пинч предполагает импульсную природу действия, что критически воздействует на внутренне устойчивое состояние.

Что обещает термоядерный синтез?

Принцип тороидального магнитного удержания и конструкция токамака, выглядят наиболее продвинутыми направлениями. Специалистами ядерного синтеза применяется ряд подходов, где есть и преимущества и недостатки. Независимо от предлагаемого подхода, до сих пор ядерный синтез сопровождается большими затратами энергии с меньшим возвратом.

Тем не менее, решение инженерных и физических проблем получения чистого прироста энергии видится одним из величайших достижений человечества. Остаётся актуальным принцип стремления к достижению цели. Развитие мира показывает – люди действительно способны на многое.


При помощи информации: INIS