Что не так с термоядерным синтезом?

12 243 просмотра
Об авторе

Ядерный синтез

Давний анекдот о синтезе — что это наш будущий источник энергии и всегда таким будет — пожалуй, является самой большой проблемой для этой сферы. Стремление поместить энергию солнца в бутылку привело к бесчисленным мечтательным предсказаниям на тему неизбежной революции в сфере экологически чистой энергии. Но ожидание синтеза так и осталось ожиданием, кредит доверия давно исчерпан, а общественное отношение к этому вопросу уже ничем не спасти.

Хотя наш цинизм о синтезе может быть вполне оправданным, он также весьма печален. Потому что, несмотря на прохладную поддержку и постоянные проблемы с финансированием, исследователи умудряются добиваться прогресса в направлении этого футуристического источника энергии. Однажды ученые справятся со всеми техническими проблемами. Однажды.

На прошлой неделе редактор io9 посетил Принстонскую лабораторию физики плазмы, чтобы взглянуть на недавно модернизированный эксперимент NSTX-U (National Spherical Torus Experiment), самый мощный «сферический токамак» — реактор синтеза на Земле. 85-тонная машина в форме гигантского яблока использует высокоэнергетические частицы для нагрева атомов водорода до температуры 100 миллионов градусов по Цельсию, что выше, чем в ядре Солнца. Для удержания этой сверхгорячей плазмы, обмоточные медные катушки генерируют магнитное поле в 20 000 раз более мощное, чем у Земли. Все для того, чтобы в течение нескольких волшебных секунд атомные ядра сталкивались, синтезировались и выпускали энергию.

Этот эксперимент является шагом на пути к создания установки синтеза, которая будет работать постоянно, запитывая целые города всего лишь одним граммом морской воды.

Звучит, конечно, это прекрасно. Но ядерная физика говорит свое веское «нет».

Синтез

Легко понять, почему сфера энергии синтеза склонна к громким заявлениям — в основе лежит просто невероятная идея. Но что больше всего поражает во время экскурсии по PPPL, это не волшебная наука, которая творится внутри гигантского реактора, и не центр управления а-ля Хьюстон, где десятки ученых проводят моделирования на суперкомпьютерах. Поражает баланс оптимизма на тему будущего энергии синтеза и реализма на тему сложных физических и технических проблем, которые необходимо решить на пути к этому будущему.

«Все это слишком классно, чтобы быть правдой: сама идея того, что мы получим источник безграничной и безуглеродной энергии», — говорит Клейтон Майерс, плазмофизик из NSTX-U. — Но ядерная физика говорит, что это не так. Доказано лишь то, что термоядерные реакции реальны и что мы можем их проводить».

Первая проблема, как выяснили физики в 1950-х и 1960-х, заключается в том, что синтезируемая плазма — свободно текущий бульон из протонов и электронов, атомные ядра которых сталкиваются и испускают энергию — не любит, когда ее удерживают. Она хочет расплескиваться повсюду, и нам нужно достаточно высокое давление и длительное время, чтобы мы могли произвести больше энергии, чем потратить на удержание этой плазмы.

Наше солнце удерживает плазму силой своей гравитации, но на Земле мы должны полагаться на мощные магниты и лазеры для этого. И цена ошибки очень высока. Даже крошечное количество сбежавшей плазмы может пробить стенку реактора и остановить процесс.

Область физики плазмы расцвела из желания закупорить звезду в бутылке. За последние несколько десятилетий эта область разрослась в бесчисленных направлениях, от астрофизики до космической погоды и нанотехнологий.

По мере того, как росло наше общее понимание плазмы, росли и наши возможности поддержания условий синтеза в течение больше чем секунды. В начале этого года новый сверхпроводниковый реактор синтеза в Китае смог удержать плазму температурой в 50 миллионов градусов по Цельсию в течение рекордных 102 секунд. Wendelstein X-7 Stellarator, который заработал в Германии впервые прошлой осенью, как ожидается, сможет побить этот рекорд и удержать плазму до 30 минут за раз.

Недавнее обновление NSTX-U выглядит скромным в сравнении с этими монстрами: теперь эксперимент может удерживать плазму в течение пяти секунд вместо одной. Но и это тоже является важной вехой.

«Создание термоядерной плазмы, которая живет всего пять секунд, может показаться не очень длительным процессом, но в физике плазмы пять секунд можно сравнить с ее физикой в стабильном состоянии», — говорит Майерс, ссылаясь на условия, при которых плазма стабильна. Конечная цель заключается в достижении стабильного состояния «горящей плазмы», которая может проводить синтез сама по себе за счет небольшого ввода энергии извне. Ни один эксперимент пока такого не добился.

NSTX-U позволит принстонским исследователям заполнить некоторые пробелы между тем, что известно из физики плазмы сейчас, и тем, что будет необходимо для создания опытно-промышленной установки, способной достичь устойчивого состояния горения и генерации чистой электроэнергии.

С одной стороны, чтобы найти лучшие материалы для удержания, нам нужно лучше понять, что происходит между термоядерной плазмой и стенками реактора. В Принстоне изучают возможность замены стенок своего реактора (из угольного графита) на «стенку» из жидкого лития с целью снижения долгосрочной коррозии.

Ко всему прочему, ученые полагают, что если синтез поможет в борьбе с глобальным потеплением, им нужно поторапливаться. NSTX-U поможет физикам решить, стоит ли продолжать развивать дизайн сферического токамака. Большинство реакторов типа токамак в меньшей степени похожи на яблоко по форме и в большей — на пончик, бублик, тор. Необычная форма сферического тора позволяет более эффективно использовать магнитное поле своих катушек.

«В длительной перспективе мы хотели бы выяснить, как оптимизировать конфигурацию одной из этих машин, — говорит Мартин Гринвальд, замдиректора Центра наук о плазме и синтезе в MIT. — Для этого вам нужно знать, как производительность машины зависит от того, что поддается вашему контролю, вроде формы».

Синтез

Майерс ненавидит оценивать, насколько мы далеки от коммерчески возможной термоядерной энергии, и его можно понять. В конце концов, десятки лет неизбывного оптимизма нанесли серьезный вред репутации этой области и укрепили мысли о том, что синтез — это несбыточная мечта. Со всеми последствиями для финансирования.

Для программы синтеза MIT стало серьезным ударом то, что федералы предоставили поддержку токамака Alcator C-Mid, который производит одно из мощнейших магнитных полей и демонстрирует синтезируемую плазму при высочайшем давлении. Большинство ожидаемых исследований NSTX-U будут зависеть от дальнейшей поддержки на федеральном уровне, которая, по словам Майерса, оказывается «через год».

Всем приходится осторожно тратить доллары, выделяемые на исследования, а некоторые программы синтеза уже сожрали невероятные суммы. Взять, например, ИТЭР, огромный сверхпроводящий реактор синтеза, который в настоящее время строится во Франции. Когда в 2005 году началось международной сотрудничество, оно было заявлено как проект на 5 миллиардов долларов и 10 лет. После нескольких лет неудач ценник вырос до 40 миллиардов долларов. По самым оптимистичным оценкам, объект будет завершен к 2030 году.

И там где ИТЭР, похоже, будет разбухать как опухоль, пока не исчерпает ресурсы и не убьет хозяина, урезанная программа синтеза в MIT показывает, как можно сделать все с гораздо меньшим бюджетом. Прошлым летом команда аспирантов MIT представила планы ARC, термоядерного реактора с низким уровнем затрат, который будет использовать новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы для генерации такого же объема энергии, как и ИТЭР, только с гораздо меньшим устройством.

Синтез

«Проблема синтеза в том, чтобы найти технический путь, который сделает его экономически привлекательным — это-то мы и планируем сделать в ближайшее время, — говорит Гринвальд, отмечая, что концепция ARC в настоящее время проводится в рамках Energy Initiative в MIT. — Мы считаем, что если синтез будет иметь значение для глобального потепления, нам нужно двигаться быстрее».

«Синтез обещает быть основным источником энергии — это, по сути, наша конечная цель», — говорит Роберт Рознер, плазмофизик из Университета Чикаго и соучредитель Института энергетической политики при нем. «В то же время есть важный вопрос: сколько мы готовы потратить прямо сейчас. Если мы снизим финансирование до той точки, когда следующее поколение умных детишек вообще не захочет этим заниматься, мы можем вообще выйти из этого дела».

Что не так с термоядерным синтезом?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

44 комментария

  1. parlamenter

    "Когда в 2005 году началось международной сотрудничество, оно было заявлено как проект на 5 миллиардов долларов и 10 лет. После нескольких лет неудач ценник вырос до 40 миллиардов долларов. По самым оптимистичным оценкам, объект будет завершен к 2030 году" Строительная бригада из Питера?) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • cats.can.fly

      Да ладно, на сайте ИТЕР постоянно фотоотчеты о строительстве. Реактор просто реально дорогой, а перспектива получения практически неисчерпаемой энергии нахаляву - очень привлекательна.

  2. tron77

    Управляемый термоядерный синтез ?

    • Automatron

      да, уже давно он есть и работает. Доброе утро

    • cats.can.fly

      Ага, Фузор вон школьники на коленке собирают, а это устройство тоже термоядерным реактором считается.

  3. Alesker.85

    Господа это фальшь - есть законы физики и жаль что многие их не понимают. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • rainbringer

      Да, точно! В особенности все эти левые плазмофизики и доктора физических наук! (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • snow1eopard

      Вы бы сами физику по учили, законы физики как раз не нарушены, иначе бы Солнце никогда не светило или оно по вашему откуда берет энергию из параллельной вселенной?

  4. 223231

    А что если. Сама гравитация является источником энергии в термоядерном синтезе? Тогда толку от магнитов никогда не будет, сколь угодно мощными они бы ни были. По тому что затратится энергии на удержание все равно больше, ведь эта энергия и заставит ядра обьедиеяться. Тогда это будет великий фейл в истории человечества.

  5. vladeloff

    Это такой молебен нефтюшке штоле,гыгыгы:-) - о каком еще "исчерпанном кредите доверия" речь, алеоО.. Человечки с телег слезли вот как чуть больше века, и уже звезду им в банке трехлитровой подавай. А то что социально-экономическое устройство общества еще глобально не готово принять такие технологии, ничего не смущает.. А то тут один диктатор-шизофреник бегает и шантажирует цивилизованный мир ржавой ядреной ракетой, чтобы воровать не мешали и ничего с ним сделать не могут, а вам звезду в банке подавай. Разум должен в начале возобладать, а не прятаться по углам..

    • Automatron

      Какое отношение имеет этот поток несвязного сознания и ядерным синтезом? Дешевая энергия это хорошо для всех, к этому не нужно "быть готовым".

      • CERBEREX

        Последствия воздействия на мозг современных медиа-технологий.

      • Ultimatemind

        Как например дешевый газ, хорош для тех у кого он есть и плох для тех, у кого его нет ))

    • RodionX

      писец Путин и термояд тут причем ?? Очередной больной либерал/укроп.

      • intel75

        Почему укроп? В России не все фанатики-патриоты, есть и нормальные люди

        • Ultimatemind

          Согласен. Русское общество деградировало до стада обезьян, кто у них за мир во всем мире - тот укроп и либерал, кто за научный прогресс и счастье для всех - укроп либерал, кто против стерха ловца щук и любителя виолончельных трелей - укроп либераст !!!

          • Automatron

            +++

            От пропаганды большинство деградировало еще больше. Что будет дальше - страшно представить.

          • rom_iks

            Согласен украинское общество деградировало ниже уровня обезьян,кто у них за мир тот вата,кто за независимость своей же страны тот путинос,кто против сжигания заживо людей тот кремлебот,везде мерещится вата,стоит прочитать ветку новостей,где пару дегроидов обязательно приплетают россию,но у местной Ылиты к коей вы относитесь не возникает вопроса а при чем тут россия,зато моментально всплывают мысленные потуги а при чем тут усраина? и тут же пишешь гневные высеры о том что вам везде мерещится хохлы,а о том что местным дурачкам постоянно везде мерещатся москали ни слова!

            • Hell

              вот с одной стороны и бред ,а с другой точка зрения другого человека

              • Ultimatemind

                Сколько вам там платят за продажу родины и стравливание братских народов, неужели вы так не талантливы, что не можете найти обычную работу, в Москве или в Питере, по-моему, это проще простого...

          • Kumaravle

            ну я вот не фанат, но ВВП одобряю) и за науку и за трансгуманизм))

    • Petka

      Однако. Как я посмотрю ты все же боишься этой ржавой ракеты. Стало быть всё правильно делается )))

      • intel75

        Я тебе рожу разобью кирпичом, ты тоже бояться будешь. Стало быть, тоже правильно сделаю?

        • Petka

          судя по твоим резким высказываниям, человек ты недалекий. Разбить рожу, как ты выразился, это уже сделать. Смысл бояться того, что уже сделано. А вот пугать кирпичом - это будет логичней, бояться стоит. Но есть одно "но" - ты обычный кнопочный боец, который только и может, что брызгать с просторов интернета слюной и всем доказывать какой ты крутой, а "тот диктатор" тоже кнопочный, но не боец, а владелец. Твои тыканья кнопок лишь сотрут буквы на клавиатуре, а тыканья кнопки "того диктатора" могут стереть с лица Земли половину твоей страны вместе с тобой, твоими пальцами, клавой, рожей и твоими гопозамашками.

          • Hell

            лол, интерестно если "тот диктатор" сотрет половину страны с лица земли , не сотрется ли тога вся земля, или хотя-бы "этот диктатор"

            • Petka

              1. только баран будет атаковать свою страну. 2. КНДР провели испытания ядерной бомбы недавно. Конечно, взрыв был не наземный, но тем не менее мы можем видеть, что Земля все еще есть...

    • cats.can.fly

      Ученым на "социально-экономическое устройство общества" и его неготовность глубоко паралельно.

      • vladeloff

        Ученые обычные наемники, кто платит тот и заказывает музыку, и решать дойдут ли изобретения до производства тоже..

  6. Zacateca

    Дядькис MIT поплакали что им не дают денег. А не дают потому что их яблоковидный реактор гавно, в отличие от токамаков. Правильно делают что не дают денег. ИТЭР в конце концов заработает. Никаких там особых неудач пока не было. Строится. Лучше бы про него статью и сделали (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  7. Neo_triniti

    В случае с Итер только идиоты могли подписаться на проект стоимостью в 40млд евро и еще тянуть с его постройкой.

    • cats.can.fly

      На фотоотчетх с сайта итер затягивания постройки чего то не заметно.

  8. Neo_triniti

    Таких людей нужно расстреливать на месте как вредителей.

  9. designer_andrew

    Я совсем не специалист, но может быть кто-нибудь знает, почему нельзя построить не гигантский реактор, а токамак размером с арбуз, например? Какие-то физические законы не могут масштабироваться? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • intel75

      Конечно, ведь частицы разгоняются по круговой траектории, а если с арбуз, то центробежные силы выкинут их нахххх за пределы галактики. Чем больше диаметр, тем более тяжелые частицы можно разгонять

    • Zacateca

      Проблема всегда была с удержанием плазмы. Магнитное поле должно быть в разы сильнее. Ток должен быть выше чтобы его создать. Малейший дефект в линиях магнитного поля может привести к утеканию плазмы. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  10. Sledopit

    Умеют же работать - с 5 до 40 млрд, и без гарантий. Надо было на физмат идти.

  11. Zacateca

    Посмотрите сколько потрачено на МКС. Выхлопа от нее по сути никакого. ИТЭР - да дорого, да может не взелететь, есть шанс дать дорогу новому источнику энергии. но про олимпиаду ( длительность 1 месяц) которая стоит столько же и которая абсолютно ничего нового человечеству не дает почемуто никто не вспоминает. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  12. vladeloff

    Не стоит, они и сами домбабве в своем Иваново устроят, дайте только время..

  13. thinking

    Владимир Леонов, автор теории Суперобъединения, на форуме http://www.termoyadu.net/index.php?topic=707.0
    пишет: "Как физик-теоретик добавлю от себя, что в отличие от ХЯС горячий термояд в проекте ИТЭР не имеет теоретического обоснования своей термоядерной концепции. То есть, отсутствует элементарный расчет, показывающий, что с увеличением температуры возникают силы, способные преодолеть силы электростатического отталкивая ядер при их слиянии. Все ссылаются на эксперимент с водородной бомбой. Но там основным критерием слияния ядер являются высочайшие давления, возникающие при взрыве атомного детонатора. Температура здесь не причем, она наоборот мешает слиянию ядер. Это мною показано в теории Суперобъединения"
    Легко можно увидеть что не так с термоядерным синтезом - на современном уровне развития технологии невозможно создать магнитными достаточно сильное давление для осуществления синтеза легких ядер. Возможно успешным станет инерциальный управляемый термоядерный синтез, там главным фактором является именно давление в мишени.
    Лично мне больше нравится ХЯС - генератор Росси уже работает, о чем свидетельствует отчет независимой группы по тесту работы генератора тепла E-Cat от 8 октября 2014 года в Лос-Аламосском электронном издании (Arxiv.org)
    32 дня проверяли установку шесть именитых профессоров из Италии и Швеции.
    Ученые вели круглосуточное наблюдение за генератором, при этом самого Росси возле
    стенда не было. Тест проводился в независимой лаборатории в Швейцарии, где было
    снято помещение, чтобы не было и намека на тайный подвод энергии и подтасовку
    результатов. 32 дня установка производила теплоту в 1,5 мегаватт/час - это как минимум в миллион раз больше, чем способна произвести любая химическая реакция в таком же объеме! Замеры показали существенное изменение изотопного состава порошка. Процесс в Е-САТ действительно изменяет топливо на ядерном уровне, т.е. имеют место ядерные реакции. Однако никаких следов радиации обнаружено не было. Консилиум профессоров подтвердил: Е-САТ работает и производит невероятное количество тепла!

  14. MaximKazimir

    Главный недостаток существующих реакторов ТОКАМАК и Стелларатор в невозможности поддерживать постоянно текущую термоядерную реакцию. Они , в любом случае, предназначены для цикличной работы. Это первое.С трудом и с большими затратами энергии достигаются требуемые параметры плазмы (давление,температура, плотность) необходимые для возникновения термоядерной реакции.Это второе. Ну ограниченный набор топлива -дейтерий и Гелий-3(если еще его удастся доставить с Луны). Мною предлагается изменить подход к удержанию плазмы в магнитном поле. Плазму следует удерживать НЕ ВНУТРИ торообразного пространства в статическом состоянии, А НА ПОВЕРХНОСТИ ТОРА в динамическом состоянии. То есть магнитное поле не только защищает поверхность от соприкосновения с плазмой, но ещё и разгоняет плазму по торообразной поверхности. Что это нам даёт?? Известно, что плазма пытается свернутся в винтовые пучки. В этом случае мы должны ей не только не мешать, а и помогать! Кроме этого в центральной части тора, так как плазма по своей сути это ионизированный газ, и соответственно подчиняется законом газовой динамики-возникнет зона с повышенным давлением и температурой. Отжимая магнитным полем торообразный поток плазмы от стенок, мы ещё больше можем увеличить температуру и давление в центре тор. На крайний случай эту зону можно ещё и подогреть микроволновым излучением. Подавая в поток плазмы горючие типа дейтерий, а я подозреваю что будет достаточно и обыкновенного водорода, мы получаем устойчивую зону в центре тора в которой и будет происходить УПРАВЛЯЕМАЯ термоядерная реакция. Кроме всего, увеличивая или уменьшая подачу исходного топлива, мы можем регулировать и мощность энерговыделения. По своей сути механика процесса в большей степени похожа на работу квазара .

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.