Наука и технологии России

Вход Регистрация

Управляемый термояд всё ближе

Несмотря на то, что термоядерный реактор видел каждый из нас, причём неоднократно – у себя над головой в солнечный день, сконструировать Солнце на Земле крайне сложно. Для использования в энергетике термоядерная реакция, то есть объединение двух более лёгких атомных ядер в новое, более тяжёлое, должна идти непрерывно (по крайней мере, долго) и сравнительно равномерно. Пока эту реакцию удалось в полной мере реализовать только в водородной бомбе, но поиски мирного управляемого «термояда» продолжаются.

Мечты о Солнце на Земле

Для получения энергии в ходе управляемого термоядерного синтеза, учёные стараются максимально точно воссоздать условия, при которых реакция протекает на Солнце. Атомы «топлива», тяжёлых изотопов водорода (дейтерий и тритий), находятся в состоянии нагретой плазмы. В результате столкновения двух таких атомов получается атом гелия и свободный нейтрон, при этом выделяется 17,6 мегаэлектровольта энергии. Это в идеале.

Для разгона частиц так, чтобы при столкновении их ядра сливались, нужны неимоверно высокие температуры – более 100 миллионов градусов. Именно из-за необходимости сильно нагреть топливо и поддерживать его температуру, эта реакция названа термоядерной. Небесное светило удерживает вещество в таком экстремальном состоянии за счёт гравитации, но на Земле, которая в сотни раз меньше Солнца, гравитационное поле роли не играет.

На сегодняшний день обоснованы два варианта удержания раскалённой плазмы, пригодные для использования на Земле. Более широко известен так называемый квазистационарный способ, при котором раскалённая плазма непрерывно удерживается в замкнутом пространстве с помощью магнитных полей. Сегодня он реализуется в токамаках и стеллараторах.

Самый известный проект, реализуемый в данной парадигме, – международная экспериментальная установка для термоядерного синтеза типа токамак ИТЕР (ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor). О проекте было объявлено ещё в 1990-х годах, но и сегодня установка не построена, а её запуск в который раз откладывается. В октябре 2014 года ТАСС сообщило со ссылкой на руководителя проектного офиса «ИТЭР-Россия» Анатолия Красильникова, что получение первой плазмы в реакторе, ранее намеченное на 2020 год, откладывается на 2–3 года. А от получения первой экспериментальной плазмы до внедрения технологии в производства могут пройти ещё многие годы.

Альтернативный подход

Помимо квазистационарного термоядерного синтеза существует и другой подход – инерциальный управляемый термоядерный синтез или, как его ещё называют, лазерный.

Мы побеседовали с учёным, который стоит у истоков этого направления, академиком РАН, доктором физико-математических наук Олегом Крохиным (видео).

Итак, установка для лазерного «термояда», в отличие от токамаков, содержит топливо не в газообразном, а в твёрдом, замороженном состоянии, что, соответственно, повышает его плотность. Оно помещено в крохотный шарик или мишень, диаметром от нескольких десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров.

«О плотности тут отдельный разговор. Скорость всех реакций прямо пропорциональна плотности вещества, потому что расстояние между частицами, которые вступают в термоядерную реакцию, должно быть маленьким. Чем больше плотность – тем меньше расстояние и быстрее идёт реакция», – отметил Крохин.

Но чтобы началась термоядерная реакция, расстояние между ядрами атомов должно быть в десятки раз меньше, чем в твёрдом веществе. Для того чтобы так сильно сжать дейтерий-тритиевое топливо, мишень, помещённую в вакуум, облучают с помощью лазеров. Известно, что при нагреве тела расширяются. Если нагрев будет достаточно быстрым и равномерным, поверхность мишени начнёт молниеносно испаряться подобно взрыву, сжимая до необходимых пороговых величин заполняющее её топливо. При этом за короткое время, что идёт реакция, нужно заставить прореагировать как можно большее количество частиц.

«Это импульсная система, и мы должны успеть за одно воздействие набрать энергию, причём больше той, которую вложили в нагрев, – пояснил Олег Крохин. –

Самый наглядный аналог импульсной системы как таковой – это поршневой двигатель. Там есть такт сжатия, когда поршень идёт вверх, сжимая горючую смесь воздуха и бензина. Чем больше степень сжатия, тем быстрее проходит горение, то есть, система получается более мощной и более экономной. Для получения энергии в ходе термоядерного синтеза горючее тоже нужно максимально сжать».

Термоядерная мишень рассчитана лишь на один «такт». Поэтому так важно инициировать реакцию максимального количества частиц.

Идея использования лазеров для запуска термоядерной реакции принадлежит советским учёным. Первыми опубликовали статью, описывающую данный принцип, Н.Г. Басов и О.Н. Крохин («Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора», 1963 г.), а Физический институт им. П.Н. Лебедева, ФИАН, стал центром исследований лазерного термоядерного синтеза.

В 1968 году в ходе лазерного облучения мишени из дейтерида лития(LiD) советские учёные впервые зафиксировали термоядерные нейтроны, свидетельствовавшие о начале реакции синтеза. Затем последовало строительство лазерных установок для термоядерного синтеза – девятиканального «Кальмара» и более мощного «Дельфина». На них проводились эксперименты с дейтерий-тритиевыми мишенями, подобными тем, что используются сейчас.

Однако в 1980-х годах финансирование исследований стало сокращаться, установка «Дельфин» так и не вышла на предполагаемые мощности и была впоследствии разобрана. К тому моменту учёные поняли, что и этих мощностей недостаточно для «инерционного» запуска реакции. Но о самом подходе не забыли, и он продолжает развиваться по всему миру.

Изначально ключевой проблемой было отсутствие достаточно мощных лазеров, которые смогли бы передать необходимое количество энергии, чтобы инициировать реакцию. Полностью эта проблема не решена до сих пор, хотя КПД лазеров был значительно увеличен.

Другой важной и неординарной задачей является создание топливных мишеней.

Например, ещё в 1982–1984 годах в ходе экспериментов на установке «Дельфин» была выявлена зависимость между толщиной оболочки мишени и скоростью её сжатия. Оказалось, что если соотношение радиуса мишени к толщине оболочки достаточно большое, мишень сжимается более оптимально. Максимальное значение (скорость схлопывания 300 км/с и сжатие плазмы в 3500 раз) было зафиксировано при отношении радиуса к толщине оболочки примерно в 100 раз, при большем соотношении скорость схлопывания падает.

Целесообразность термоядерного синтеза в энергетике

Одним из громких событий последних лет стала серия успешных экспериментов на американской лазерной установке для термоядерного синтеза NIF (National Ignition Facility) осенью 2013 года. Создание установки, насчитывающей сегодня 192 пучка, началось в 1997 году на базе Ливерморской национальной лаборатории (США, штат Калифорния). В 2013 году физики достигли очень важного результата: полученная энергия превысила затраченную на сжатие топлива. Причём 80% от неё высвободилось не непосредственно из-за воздействия лазера, а благодаря рекуперации энергии. Как пояснил Крохин, тут снова можно провести параллель с поршневым двигателем: «Реакция начинается от одной точки, искры от свечи зажигания, потом эта точка провоцирует реакцию в соседних областях, и таким образом распространяется волна горения или, в данном случае, волна детонации».

Это огромный шаг вперёд, ведь раньше высвобождавшаяся энергия была на порядок меньше затраченной. Значит, данное направление не тупиковое. «Дорога у нас одна, и мы, и наши американские коллеги идём одним путём», – подчеркнул Олег Крохин.

Камера_NIF Камера NIF: через отверстия в вакуумную камеру проникают лазерные лучи. Источник: официальный сайт NIF https://lasers.llnl.gov/media/photo-gallery

По словам Крохина, его американские коллеги рассчитывают увеличить количество лазерных пучков и таким образом со временем добиться желаемого результата. Тем не менее, даже NIF ещё очень далёк от настоящего термоядерного реактора, который генерировал бы энергию для нужд человечества.

Например, повышение мощностей без изменения типа лазеров может оказаться не самым оптимальным путём, потому что в проведённом американцами эксперименте мишенью поглощается лишь малая часть энергии, сгенерированной лазером – всего 10–20% (так как поглощается только излучение определённого спектра).

Помимо вопроса правильного облучения мишени существует другая технологическая преграда на пути к термоядерному реактору – как наладить подачу топлива в такой реактор?

Великое в малом

Вообще создание топлива для импульсного термоядерного синтеза – это сложная технологическая задача. Помимо оптимального соотношения радиуса мишени и толщины её оболочки должны быть соблюдены ещё некоторые параметры. Мишень, в которую помещается топливо, должна быть близка по форме к идеальному шару: любые неровности на её поверхности вызывают неравномерный нагрев мишени и её разрушение без термоядерной реакции. Сегодня для изготовления внешней оболочки топливного шарика используют полимеры или бериллий. Замороженное топливо должно располагаться на внутренней поверхности оболочки в виде равномерного слоя.

На сегодняшний день разрабатывается несколько методов формирования топливного слоя внутри оболочек. Большинство из них мало подходят для массового производства – они весьма длительны (весь процесс занимает от 5 до 24 часов) и сильно зависят от внешних условий. Слой топлива формируется за счёт постепенного понижения температуры контейнера, куда помещаются капсулы, либо благодаря распределению топлива внутри пористой стенки топливной капсулы.

Кроме того, постоянная подача таких мишеней в реактор осложняется тем, что каждая из них прикреплена к держателю либо подвесу во время формирования. Перед облучением каждая мишень также должна быть скрупулезно укреплена, и если для научного эксперимента такой подход вполне оправдан, то энергостанция не может работать в таком режиме. Значит, необходимо разработать механизм, непрерывно подающий топливные мишени внутрь реактора, а само производство разместить рядом с ним.

Похоже, на сегодняшний день ближе всех к решению этих задач подошли сотрудники ФИАН.

Корешева_мишени Источник: газета «Энергетика и промышленность России» №21 (233) ноябрь 2013

Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Лаборатории термоядерных мишеней ФИАН Елена Корешева рассказала о разработанном лабораторией уникальном методе, который позволит значительно упростить и удешевить создание топливных мишеней.

Технология_FST
Схема модуля формирования мишеней по технологии FST. Источник: ФИАН

«В ФИАН разработан метод Free-StandingTargets (FST), что в переводе с английского значит «бесподвесные мишени». Этот метод позволяет работать с движущимися бесподвесными криогенными мишенями, и обеспечивает производство мишеней стоимостью ниже 30 центов США», – пояснила Корешева, добавив, что мишени, произведённые традиционным способом, такие, как использовались на установке NIF, стоят около 1000 долларов США за штуку.

Капсулы с закаченным под большим давлением топливом подаются в криогенную камеру, которая представляет собой цилиндр с навитым на него спиральным каналом (непосвящённому человеку такая конструкция может напомнить самогонный аппарат). Диаметр этого канала немного превышает диаметр мишени, то есть она достаточно свободно двигается внутри. Под действием силы тяжести мишени катятся по каналу, беспорядочно касаясь его охлаждённых стенок. В результате топливо равномерно намерзает на внутренние стенки капсулы. Частоту подачи мишеней в канал можно варьировать.

Помимо блока по созданию мишеней и намораживанию топлива, установка также оснащена системами диагностики мишеней перед подачей их в реактор.

Опыт, накопленный учёными, позволяет уже сегодня говорить о создании прототипа фабрики по генерации топливных мишеней в промышленных масштабах.

Сам метод FST и устройства его реализации защищены тремя авторскими свидетельствами и патентом Российской Федерации.

Далеко ли до будущего?

И всё-таки о создании термоядерного реактора в ближайшем будущем говорить рано. «Торопиться здесь не нужно», – уверен Крохин. Создание промышленного термоядерного реактора, хоть и является конечной целью исследований, но пока оказывается слишком затратным и с точки зрения финансирования, и с точки зрения использования технологий. В том числе, ещё предстоит изучить взаимодействие разных видов лазерного излучения с топливом.

В России такие исследования и создание лазеров необходимого спектра и мощностей проводятся параллельно работе по созданию мишеней. «ФИАН не строит мощные лазеры, – подчеркнул Крохин. – Мы, как институт Академии наук, ответственны за фундаментальные исследования, а практическую часть взял на себя Росатом».

Лидером в России по созданию лазеров сегодня является Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) госкорпорации «Росатом» в городе Сарове. Интересно, что в ядерном центре ВНИИЭФ, созданном для реализации советского атомного проекта, сегодня мощно развивается лазерная тематика. Импульсом послужил наложенный в 1985 году мораторий на ядерные испытания: сотрудникам ВНИИЭФ необходимо было обеспечить проверку своих разработок, и для этого применялись мощные лазеры. Исследования в данной области оказались весьма удачными и были расширены, а недавно на базе ВНИИЭФ был создан технопарк по лазерной тематике.

«По сути в нашей отрасли наш институт – сборочный стол. И ни одно предприятие, где производятся сложные лазеры, не обходится без нас», – подчеркнул директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Сергей Гаранин. Неудивительно, что и прибор для создания «микро-звезды» на Земле тоже разрабатывается в Сарове, ориентировочная дата создания – 2020 год.

Лазер_ВНИИЭФ_Луч Уже существующий лазер ВНИИЭФ – «Луч». Фото: пресс-служба РФЯЦ-ВНИИЭФ

На сегодняшний день планируется создание самой мощной в мире установки. В конце 1990-х – начале 2000-х лазеры России и США соперничали за право называться самыми мощными. В 2002 году, казалось бы, Америка вырвалась вперёд – российский проект заморозили из-за нехватки финансирования. Но, как говорится, тише едешь – дальше будешь.

«Мы пока ждали финансирование, без дела не сидели – учли многие ошибки американцев и в итоге спроектировали лазер в полтора раза (на самом деле в 1,7 раза) мощнее американского», – уточнил Гаранин.

Значит, сегодня Россия тоже весьма конкурентоспособна на этом направлении. Несмотря на то, что в ближайшие годы термоядерная энергетика вряд ли выйдет за пределы лабораторий и научных центров, с каждым новым открытием учёные всё ближе подбираются к созданию термоядерного реактора. При этом, конкуренция двух разных подходов и сотрудничество на международном уровне стимулируют исследования.

РЕЙТИНГ

4.53
голосов: 34

Обсуждение