Схема реактора ИТЭР: габаритные размеры реактора ~ 40×40 м; 1 — центральный соленоид (индуктор); 2 — катушки полоидального магнитного поля; 3 — катушка тороидального магнитного поля; 4 — вакуумная камера; 5 — криостат; 6 — дивертор

Через четырнадцать лет после получения официального разрешения учёные наконец-то начали сборку гигантского термоядерного реактора ИТЭР. Экспериментальный реактор призван продемонстрировать, что ядерный синтез может быть безопасным источником энергии на Земле.

ИТЭР — самое сложное техническое сооружение в истории человечества. Основная конструкция состоит из 10 млн деталей. Это больше, чем в Большом адронном коллайдере. Инженеры называют её «крупнейшим в мире паззлом».

В пятницу, 4 декабря, в лаборатории Чэнду в провинции Сычуань, был запущен новый термоядерный реактор HL-2M Tokamak. Данная установка заменила предыдущую модель HL-2A, и позволит нагревать плазму до 150 миллионов градусов Кельвина.

Начало

(осторожно, картинки!)


В далеком 1997 году в Ливерморе (Калифорния) началось строительство комплекса NIF — National Ignition Facility, он же — национальный комплекс зажигания. Цель этого огромного комплекса — изучение и осуществление ICF — инерциального управляемого (термоядерного) синтеза. Ключевое отличие этого вида синтеза от других состоит в том, что термоядерное топливо удерживает само себя за счет инерции. (напомню, в токамаке, который собираются запустить в 2019 году во Франции, плазма удерживается магнитным полем) Процесс должен протекать следующим образом: мишень (топливный шарик, о нем подробнее дальше) нагревается до температуры, которая позволяет пройти синтезу до того, как плазма разлетится в разные стороны, то есть реакция идет импульсно.
В NIF к этой проблеме подошли так:

В среду, 12 февраля, в журнале Nature была опубликована статья, описывающая результаты последних экспериментов на установке National Ignition Facility (NIF) Ливерморской национальной лаборатории, в ходе которых впервые выход энергии в результате индуцированной лазерами управляемой термоядерной реакции превысил количество энергии, переданной топливу. Необходимые для начала ядерного синтеза давление и температура достигаются в установке NIF с помощью 192 лазеров, которые синхронно облучают крошечную мишень из замороженного дейтерия и трития.



Мишень представляет собой шарик диаметром 2 мм, внешний слой которого сделан из пластика, а внутренний — из тяжёлых изотопов водорода. Шарик находится внутри золотого цилиндра с отверстиями, сквозь которые внутрь попадает излучение лазеров. Под воздействием этого излучения внутренние стенки цилиндра начинают испускать рентгеновские лучи, которые равномерно «поджаривают» мишень со всех сторон. Её внешняя оболочка мгновенно испаряется и с огромной силой сжимает топливо до давления в 100 миллионов атмосфер. Всё это происходит в течение нескольких наносекунд. Пиковая мощность лазерной вспышки достигает 500 тераватт.

^{Остатки сверхновой в созвездии Тельца, вспыхнувшей в 1054 году нашей эры и зарегистрированной китайскими астрономами.}

Всем многообразием химических элементов существующих в природе мы обязаны звёздам. Ведь в самом начале существования Вселенной первичный ядерный синтез подарил Вселенной только водород и гелий.

Спустя сотни тысяч лет зажглись первые звёзды, внутри которых начался синтез ядер более тяжёлых элементов. Ведь что такое звезда? Звезда — это баланс между энергией, выделяющейся при нуклеосинтезе в её ядре, и гравитационной силой, сжимающей звезду. В конечном итоге, гравитация всегда побеждает — это только вопрос времени.

Если вы путешествовали по странам Скандинавии или по США, вы могли обратить внимание, что большие амбары преимущественно красят в красный цвет. Есть даже такой вопрос, популярный в местных интеллектуальных шоу – почему именно в красный. Ответ прост – потому, что красная краска дешевле всех остальных. Но вот почему именно красный пигмент оказывается дешевле?

В экономике обычно дешевле то, что есть в изобилии, и то, что легче произвести. Один из работников Google, Йонатан Зангер, в своём блоге решил рассказать, почему красная краска стоит дешевле. Оказывается, потому, что так устроена физика умирающих звёзд.

Во Франции продолжается строительство первого полномасштабного термоядерного реактора ИТЭР. Реактор строят усилиями 36 стран (в этом году добавился Иран). Ключевые участники проекта — Китай, Евросоюз, Индия, Япония, Россия, Корея, Швейцария и США. У проекта долгая история: первые договоренности по нему были достигнуты еще Михаилом Горбачевым в бытность его генсеком КПСС и президентом США Рональдом Рейганом.

До 2015 года строительство велось очень медленно. Постоянно срывались сроки, складывалось впечатление, что проект вот-вот просто закроют. Но после того, как проект возглавил француз Бернар Биго, работы удалось активизировать.

Визуализация термоядерного реактора SPARC. У него мощность 20% от ИТЭР, а размер в 65 раз меньше. Иллюстрация: Ken Filar/MIT

Управляемый термоядерный синтез — настоящая чаша святого Грааля для энергетики. Если физики научатся удерживать плазму в магнитной ловушке и тратить на магниты меньше энергии, чем выделяется в результате реакции, то человечество получит практически неисчерпаемый источник чистой энергии, а об ископаемом топливе из углеводородов и урана можно будет забыть как о страшном сне (тем более что их запасов надолго не хватит).

Сейчас человечество потребляет 22 255 ТВт·ч электроэнергии ежегодно (в среднем по миру 3052 кВт·ч на человека, в России — 6588 кВт·ч, в США — 12833 кВт·ч, на Гаити — 40 кВт·ч на человека). Потребление растёт с каждым годом, а ископаемые источники рано или поздно закончатся (того же урана-235 осталось примерно на 50 лет).

Поэтому уже сейчас необходимо готовиться к окончанию эпохи использования ископаемых типов горючего — и рассматривать альтернативные варианты. Это могут быть реакторы на тории, плутониевые бридеры на быстрых нейтронах, солнечные батареи (для удовлетворения потребностей человечества достаточно собирать 0,5% солнечной энергии, падающей на Землю) и проч. Но ядерный синтез — это кардинальное решение проблемы, потому что он потенциально представляет собой неистощимый источник энергии для развития Вселенной вообще. Ядерный синтез обеспечит не только текущие энергетические потребности человечества, но даст гораздо больше энергии. Нам придётся думать, куда её потратить.

… засияло на днях в городе Хэфей.

«Может лучше про реактор» (с)

Ученые при помощи экспериментального сверхпроводящего ТОКАМАКа создали поистине космические температуры, необходимые для ядерного синтеза на Земле. Преодолена очередная серьезная ступень на пути к управляемому ядерному синтезу.

Законы физики дают нам возможность получать энергию разными способами. В механике для этого используется движение объектов – веса под воздействием гравитации, текущая вода или движущийся воздух, вращающий колесо либо турбину. Вращательное движение затем используется для генерации электричества. Существуют определённые химические реакции, зависящие от электронных переходов в атомах и молекулах – топливо какого-либо рода подвергается химической реакции, в т.ч. горению, и генерирует энергию, которую мы осваиваем и пускаем в работу. А ещё бывают ядерные реакции, про которых связи между нейтронами и протонами атомных ядер либо разбиваются, либо наоборот, создаются с выходом энергии.