Термоядерная энергия свободы

17-12-2022
  • 13 декабря объявили о получении термоядерной реакции слиянии атомов дейтерия и трития с выходом энергии, на 20% , превышающей затраченную на разогрев этой капельки дейтерия с тритием. Само это событие произошло 5 декабря, когда команда национальной зажигалки (NIF), в Национальной Ливерморской лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии, провела первый контролируемый эксперимент с реакцией слияния (fusion) и заметным положительным выходом энергии в истории.  https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition
  • NIF ExteriorSunsetОбщий вид NIF

    В цифрах это выглядит так: во время эксперимента на разогрев капельки дейтерия и трития было затрачено 2,05 мегаджоуля (MJ) энергии , что привело к повышению температуры капельки до 100 миллионов градусов и давлению в сотню миллиардов атмосфер. Произошла термоядерная реакции слияния, при которой выделилось 3,15 мДж энергии. При этом прореагировало всего 0,7 процента массы капельки из дейтерия-трития.
    По существу, ученые зажгли маленькую звезду. Событие эпохальное, историческое, сравнимое с приручением огня. Термоядерная управляемая энергия – это полное освобождение всей цивилизации от призрака энергетического голода. Освобождение от зависимости нефти, дизтоплива, угля и газа. Заодно - от диктата нефтедобывающих стран вроде ОПЕК и примкнувшей к ним России. Попутно решается проблема декорбонизации, от всех этих опасений про мировое потепление, требующего сокращения выброса CO 2 в атмосферу, что было бы связано с непосильной перестройкой всей экономики.
    Это все, конечно, дело будущих десятилетий. Как сказал Петр Первый, когда ему сообщили о некоем русском Икаре, прыгнувшем с колокольни на самодельных крыльях и разбившимся: не мы будем летать, но наши внуки.
    Немного из истории установки NIF. Дословно эта аббревиатура звучит National ignition facility - национальной зажигательное устройство, или короче - национальная зажигалка.
    Установка NIF была создана не для получения энергии, а для моделирования термоядерных взрывов. Маленькая капелька дейтерия и трития, которые сливаются в гелий - это имитация взрыва термоядерной бомбочки. В общем, по заказу Пентагона. Поэтому в конструкции этой махины площадью в два футбольных поля и высотой с 10-ти этажный дом не задавались целью обеспечить непрерывность процесса.
    NIF – невероятное по сложности устройство, сердцем которого является мощная лазерная установка, генерирующая 192 лазерных луча, по радиусу сходящихся на поджигаемой ядерной капельке. После подрыва капельки держатель испаряется, потом нужно все устанавливать заново, откачивать остатки от взрыва и пыль, проверять юстировку всей сложнейшей оптики фокусирования лазерных лучей (напомню, их там 192). Нужен месяц для восстановления работоспособности этого монстра.

    Screenshot_15

    nif chamber

    Рабочая камера NIF, в которой происходит поджигание капельки дейтерий-тритий меньше спичечной головки. По центру немного выше - фигурка наладчика

     

    На установке NIF были получены самые малые мощности ядерного оружия – около 300 тонн, всего лишь маленький воинский склад боеприпасов. Ибо речь давно идет не об увеличении мощности заряда, где рекорд принадлежит СССР с его взрывом 30 октября 1961 года царь-бомбы в 58 мегатонн (а реально он могла иметь мощность 102 мегатонны), а как раз уменьшение мощности для тактического использования, ибо мегатонные мощности бессмысленны для военного применения, они просто уничтожат человечество.
    Пентагон не первый раз делает всему человечеству подарки. Самые главные – это Сотовая связь, Интернет и GPS. Теперь вот – управляемая термоядерная реакция.

  • nif_hohlraum beams
  • 192 луча сжимают замороженную капельку дейтерия-трития в держателе (белый шарик в центре)
  • В звездах миллиарды лет идет термоядерная реакция синтеза. Почему? Потому, что огромная масса звезды создает равномерное давление в центре (создает особую зону) и повышает температуру звездной плазмы до многих десятков миллионов градусов, то есть создает условия, при котором только и может идти равномерная термоядерная реакция. Лазерные установки с созданием особой точки (давление со всех сторон, имитирующее состояние в недрах звезды)- это перспективный путь управляемой реакции синтеза.
    Температура в недрах Солнца составляет от 15 до 20 миллионов градусов, но и этого мало. Tермоядерные реакции там идут редко, так как для этого необходимо маловероятное явление лобового столкновения наиболее быстрых ядер. Только так эти протоны могут преодолеть энергетический барьер, кулоновские силы отталкивания. Чтобы два протона объединились в ядро дейтерия, этой паре нужно ждать миллиарды лет счастливого случая встречи. Зато этот медленный процесс растягивается на миллиарды лет, в течение которых звезда светит. А вот когда процесс слияния становится почти мгновенным по всему объему звезды, она взрывается как сверхновая. Это происходит тогда, когда внутренние области выгорают, давление излучения, противостоящее гравитации, падает и начинается коллапс всей массы, она падает к центру, разогревая при этом недра до сотен миллионов градусов, а уж эта температура и давление приводят к массовой термоядерной реакции, и уже не только протонов, но и углерода и прочих элементов, впоть до железа.
    Удельная мощность термоядерных реакций в центре Солнца всего-то 276,5 Вт/м³,, что на порядок меньше удельного тепловыделения бодрствующего человека. Удельное же тепловыделение всего объёма Солнца ещё на два порядка меньше. Благодаря столь скромному удельному энерговыделению, запасов «топлива» (водорода) хватает на 10 миллиардов лет поддержания термоядерной реакции.
    Суммарное мощное излучение получается только за счет огромного объема центральных областей Солнца. В целом каждую секунду в ядре Солнца около 4 млн тонн водорода превращается в лучистую энергию, которая просачивается наружу и излучается с поверхности Солнца во все стороны, достигая в том числе и поверхности Земли (2 кг. фотонов), что и делает возможной жизнь на Земле.

    Минуло почти 70 лет с тех пор, как были начаты работы по получению управляемой термоядерной реакции. Той, которая навсегда избавила бы нашу цивилизацию от энергетического голода. Водородные бомбы к этому времени уже взрывали, так что в успехе искусственного лабораторного, то есть управляемого синтеза водородных ядер в гелий не сомневались ни ученые, ни политики. Дело было за малым: снизить скорость слияния, которая дает взрыв, до величины равномерного "горения". Как примерно вместо взрыва цистерны с бензином получить факел из своего рода паяльной лампы.

    Срок жизни технологической цивилизации нашего уровня, то есть, не слишком развитой, но очень прожорливой и энергоемкой, определяется временем исчерпания природных запасов органического топлива, а также тем, успеем ли мы за это время получить доступ к новым, дешевым и неисчерпаемым источникам энергии.
    По грубым оценкам, в настоящее время доля разных источников в общемировом производстве энергии составляет:
    • ископаемое топливо — 80%-
    • сжигание отходов и биомассы — 10%-
    • атомные электростанции — 5%-
    • гидростанции — 5%-
    • иные источники (ветер, солнце, геотермальные и морские установки и т.д.) — 0,5%.
    То есть, альтернативные источники энергии принципиально неспособны заменить нефть, газ и уголь. По самым оптимистичным оценкам, максимальное количество энергии от этих источников составит всего 3 ТВт за счет ветра, 1 ТВт – гидростанции, 1 ТВт – биологические источники и 100 ГВт – геотермальные и морские установки. В сумме не более 6 ТВт. Причем разработка новых источников энергии является очень сложной технической задачей, так что стоимость производимой ими энергии будет в любом случае выше, чем при сжигании угля и газа. Иными словами, наблюдается огромный разрыв между прогнозами возможностей новых источников (6 ТВт) и новыми потребностями (13 ТВт), которые имеют тенденцию к непрерывному росту.
    Плохо и то, что запасы дешевого урана также могут исчерпаться в течение ближайших 50 лет. Придется создавать реакторы на тории (бридерные реакторы или реакторы-размножители), в которых при реакции возникает больше тория, чем исходного урана, в результате чего общее количество получаемой энергии возрастает в 40 раз.
    Но в итоге, ни атомная энергетика, ни альтернативные источники не заменят нефти и газа и не позволят продолжать развитие в темпе, к которому мы привыкли за последние полтора века и который уже кажется нам естественным.
    Так что выход только в управляемой термоядерной энергии.
    Исходные материалы для слияния есть: дейтерий можно добывать из воды, а вот тритий радиоактивен, период его полураспада составляет всего лишь 12, 6 лет, так что на Земле трития практически нет. Его получают искусственно, облучая нейтронами литий. Лития в земной коре и, особенно, в океане достаточно
    Производство одного килограмма трития обходится пока что в 30 млн долларов. Для работы будущего экспериментального реактора ITER в год потребуется как минимум около 3 кг трития, а для запуска полупромышленного DEMO ((DEMOnstration Power Station) понадобится 4-10 кг трития. Поледующий за ним гипотетический тритиевый реактор уже потреблял бы 56 кг трития на производство 1 ГВт/год электроэнергии, тогда как всемирные запасы трития пока что составляют лишь около 20 кг, причем основная часть его идет на периодическую замену начинки водородных бомб. Мировая коммерческая потребность составляет ежегодно около 500 грaмм, и ещё порядка 2 кг требуется для поддержания ядерного арсенала США (7 кг для военных потребителей во всем мире).
    Самая большая сложность импульсных реакторов типа "Шива" (так назывался первый реактор этого типа, ныне он представлен установкой NIF ) - это как обеспечить непрерывность процесса. Но все же это скорее техническая, а не принципиальная проблема.
    Эта непрерывность сравнительно просто достигается в реакторах, получивших название Токамак. Зато там нависает другая проблема: Как удержать стабильным раскаленный до сотни миллионов градусов тонкий шнур плазмы.
    Плазма в токамаке удерживается специально создаваемым комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающего по плазменному шнуру. Ток в плазме обеспечивает разогрев плазмы и удержание равновесия плазменного шнура в вакуумной камере.
    Несколько слов о самом грандиозном, сложном и дорогом сооружении в мире - токамаке ИТЭР.
    ИТЭР (ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor) - это проект международного экспериментального термоядерного реактора. По случайному совпадению абрревиатура ITER означает по латыни "путь". Участвуют в проекте 35 стран (включая Россию и Китай) - ни одна из них отдельно не смогла бы пройти этот "путь".
    Топливом для токамака ITER служит смесь изотопов водорода — дейтерия и трития. В отличие от предшествующих токамаков, ITER «заточен» именно под это топливо. ITER, как и любой токамак, будет работать в импульсном режиме. Вначале из вакуумной камеры откачивают весь воздух и содержащиеся в нём примеси. Включается магнитная система. Затем в камеру вводят топливо под низким давлением в газообразном состоянии, с помощью системы впрыска топлива. Затем дейтериево-тритиевая смесь нагревается и ионизируется, то есть превращается в плазму.
    В каждый текущий момент времени в вакуумной камере токамака будет находится не более 1 грамма топлива.
    Система должна обеспечить глубокий вакуум в вакуумной камере и внутри криостата, с объёмами, соответственно, 1 400 м3 и 8 500 м3. Давление внутри вакуумной камеры не должно превышать 10−9 нормального атмосферного давления, то есть, в миллиард раз меньше атмосферного. Ориентировочное время, за которое вакуумная система способна создать это давление, составляет до 48 часов.
    ITER не будет производить электроэнергию. Вся тепловая энергия, полученная в токамаке, будет рассеиваться в окружающую среду. Производить энергию будет следующее поколение реакторов - DEMO.

    ITER-vessel

    Часть вакуумной камеры ИТЭР, внутри которой будет удерживаться плазма.

    Согласно октябрьскому опросу 2021 г. , проведенному Ассоциацией производителей термоядерного синтеза (FIA) в Вашингтоне, округ Колумбия, которая представляет компании этого сектора, в настоящее время во всем мире существует более 30 частных термоядерных фирм; 18 фирм, заявивших о своем финансировании, говорят, что они привлекли в общей сложности более 2,4 миллиарда долларов США, почти полностью за счет частных инвестиций. Ключом к этим усилиям являются достижения в исследованиях материалов и вычислительной технике, которые позволяют использовать технологии, отличные от стандартных конструкций, которые национальные и международные агентства так долго добивались.

    Схема тороидальной камеры ИТЭР

    Строительство ITER началось в 2007 г. на юге Франции, недалеко от Марселя. Сегодня стоимость ИТЭРа оценивается уже около 20 миллиардов долларов. A ведь начиналось с 5. Но периодически бюджет этого чуда техники рос и рос. Равно как и отодвигались сроки ввода его в действие. Сначала то был 2016 г. потом 2018, затем 2022, теперь называют 2025. А вот для запуска термоядерного синтеза с дейтерий-тритиевым топливом ИТЭР называется 2035 г.. Предполагается, что действующие промышленные термоядерные электростанции начнут работать к 2050 году. Все это свидетельствует о невероятных по сложности проблемах, вставших перед цивилизацией. И то сказать - непросто конкурировать со звездами.

Комментарии
  • Д.Ч. - 17.12.2022 в 03:59:
    Всего комментариев: 368
    А пока папашка Хантера отсосал у Мадуры, чтобы тот ему продал нефть и газ. И у арабов давеча отсосал, чтобы они ему продали нефть и газ. А вчера папашку вывели к Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 25 Thumb down 20
  • ChP - 17.12.2022 в 07:41:
    Всего комментариев: 210
    Физик 1: В том количестве жидкости, которое поглощено на этой свадьбе, не менее 15 грамм дейтерия. Физик 2: Этого достаточно, чтобы отоплять, освещать и снабжать Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 4 Thumb down 29
  • niktimof - 17.12.2022 в 13:47:
    Всего комментариев: 105
    И…? Смешит этакая, чтобы еще верить в сказки, сквозящая юношеская восторженность, как при столкновении с чем-то новым и сверхоригинальным, а в общем-то, всего-лишь Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 1 Thumb down 30
    • Морис Собакин - 17.12.2022 в 20:25:
      Всего комментариев: 377
      Ваш врач совсем обленился -- не следит за приемом Вами лекарств. И дверь своего кабинета не запирает.
      Рейтинг комментария: Thumb up 4 Thumb down 19
      • niktimof - 18.12.2022 в 10:28:
        Всего комментариев: 105
        Что? Опять отпустили!? Или привычно сбешавши? Понятно, рабический поцелуй Лиссы недешев, а ветеринар уже не по карману..
        Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 10
    • net - 18.12.2022 в 23:04:
      Всего комментариев: 460
      niktimof....Ну, Вы батенька и загнули.... Все, что, говоря словами класика, согреет наши дома, школы, госпиталя и осветит наши библитеки- и есть прогресс.
      Рейтинг комментария: Thumb up 3 Thumb down 1
      • niktimof - 19.12.2022 в 11:31:
        Всего комментариев: 105
        Знаете net, не соглашусь с приведенным посылом, ибо утилитаризм - это вовсе не прогресс, а всего лишь упорядоченные, «до не могу», доступные ощущениям сенсорики Показать продолжение
        Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 3
  • Просто зритель - 17.12.2022 в 18:23:
    Всего комментариев: 1135
    Байден подписал закон об однополых браках. Он объяснил это заботой о будущих поколениях ЛГБТ молодёжи.
    Рейтинг комментария: Thumb up 4 Thumb down 22
    • Serg - 17.12.2022 в 20:03:
      Всего комментариев: 884
      Путин на России запретил лгбт. Смотри под статью не попади.
      Рейтинг комментария: Thumb up 20 Thumb down 5
  • PP - 17.12.2022 в 19:10:
    Всего комментариев: 697
    Спасибо, В.П., очень интересно.
    Рейтинг комментария: Thumb up 9 Thumb down 17
  • fizik - 17.12.2022 в 19:48:
    Всего комментариев: 101
    Термояд конечно хорошая вещь, но если бы все это лет на 50 раньше, то было бы сильно лучше. А сейчас уже наверное поздновато; чтобы термояд довести до ума еще Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 5 Thumb down 20
    • Serg - 18.12.2022 в 00:24:
      Всего комментариев: 884
      Да бросьте, есть еще целый континент неосвоенный, в высоких широтах лежит, при гипотетическом потеплении там станет вполне комфортно.
      Рейтинг комментария: Thumb up 7 Thumb down 6
      • fizik - 18.12.2022 в 05:16:
        Всего комментариев: 101
        Вот за него и будет война. Войны же всегда были за ресурсы - плодородная земля, пресная вода, выходы к морям, ископаемые, и т.п. Текущая война в Украине тому очередной Показать продолжение
        Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 11
        • Serg - 18.12.2022 в 13:15:
          Всего комментариев: 884
          На России территорий и ресурсов мало, по тому Россия и напала? Глупости все это. Россия напала по той же причине, по которой Гитлер свой Третий Рейх объявил и начал Показать продолжение
          Рейтинг комментария: Thumb up 6 Thumb down 8
          • fizik - 19.12.2022 в 00:49:
            Всего комментариев: 101
            Тут дискуссия несколько разветвляется, могу лишь вкратце свои соображения изложить. (1) Насчет климата, дело не в том, что станет на 3 градуса в среднем теплее, это-то Показать продолжение
            Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 8
          • Serg - 19.12.2022 в 10:53:
            Всего комментариев: 884
            Климат менялся регулярно, совсем недавно была серия ледниковых периодов. Что до войны России против Украины - нужно понимать, что идеологическую подготовку Показать продолжение
            Рейтинг комментария: Thumb up 5 Thumb down 2
  • Морис Собакин - 17.12.2022 в 20:29:
    Всего комментариев: 377
    Валерий Петрович, а спорим, что в 2050 г. никаких термоядерных электростанций не будет?
    Рейтинг комментария: Thumb up 2 Thumb down 21
    • redactor - 17.12.2022 в 20:51:
      Всего комментариев: 1470
      Легко могу поспорить на любую сумму - в 2050 г. мне будет 113 лет.
      Рейтинг комментария: Thumb up 30 Thumb down 0
      • Морис Собакин - 18.12.2022 в 20:14:
        Всего комментариев: 377
        Это былу шутка черного юмора. Но я, почему-то, не верю, что это очередное "достижение" (а таких "открытий" было за последние 30 лет порядка 20-ти) -- не блеф.
        Рейтинг комментария: Thumb up 1 Thumb down 6
        • redactor - 18.12.2022 в 23:23:
          Всего комментариев: 1470
          Нет, вот именно таких - не было. У NIF в разные годы (начиная с 2009) был выход положительной энергии, но разовый и, главное, там плюс выражался в несколько процентов. Были Показать продолжение
          Рейтинг комментария: Thumb up 4 Thumb down 1
          • Морис Собакин - 19.12.2022 в 02:29:
            Всего комментариев: 377
            "...будет достигнут критерий Лоусона..." ----- Ну, так, что ж Вы сразу-то не сказали!!! Ежли критерий Лоусона, дык, тады, канешна, будет термоядрёна анергия! А как же! ----- Ну, Показать продолжение
            Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 4
          • redactor - 19.12.2022 в 06:00:
            Всего комментариев: 1470
            5 кг? Если выиграю - мне столько не съесть. Если проиграю - не купить. Давайте 1 кило. Но прежде посмотрите новый материал на эту тему в альманахе. Это почти что Показать продолжение
            Рейтинг комментария: Thumb up 3 Thumb down 0
          • Морис Собакин - 19.12.2022 в 02:30:
            Всего комментариев: 377
            икры.
            Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 3
  • nstrelch - 17.12.2022 в 23:15:
    Всего комментариев: 46
    Ну да, ушлепки как всегда не догнали, да им вообще здесь делать нечего только говном брызгаться, а статья прекрасная коротко и доступно изложено
    Рейтинг комментария: Thumb up 9 Thumb down 7
  • Greg Tsar - 18.12.2022 в 14:24:
    Всего комментариев: 325
    Ах, раз так, ловлю на слове, пари принимаю. По рукам, dear Sir V.P. (currently ~86 y.o., while I'm 87 already). Кто перебьет? Найдется смелый?
    Рейтинг комментария: Thumb up 2 Thumb down 7
  • Морис Собакин - 19.12.2022 в 17:16:
    Всего комментариев: 377
    5 банок красной икры -- это, всего, килограмма полтора-два. Стоит красная икра прибл. 150 долл. за 1 кг.
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 2

Добавить изображение