МЛАДШИЙ БРАТ СОЛНЦА

Минуло 60 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.  Kaк казалось, 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.

Опыты начались еще при Сталине. И казалось бы, успешные – при разогреве дейтериево-тритиевой плазмы током в сотни тысяч ампер до миллиона градусов и ее сжатием мощным магнитным полем на выходе был зафиксирован поток нейтронов, вроде бы говорящий о том, что имела место термоядерная реакция синтеза. Но нет, оказалось, что наличие нейтронов было вызвано побочными эффектами, не связанными с термоядерными реакциями. К тому же выяснилось, что миллиона градусов совсем недостаточно. Согласно теории, 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. Чтобы два протона объединились в ядро дейтерия, этой паре нужно ждать миллиарды лет счастливого случая встречи”.

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, что и делает возможной жизнь на Земле.

Вначале два протона, имеющие достаточно энергии, чтобы преодолеть кулоновский барьер, сливаются, образуя дейтрон, позитрон и электронное нейтрино; затем дейтрон сливается с протоном, образуя ядро 3He; наконец, два ядра атома гелия-3 сливаются, образуя ядро атома гелия-4. При этом высвобождаются два протона и энергия фотонов,  эквивалентная 0,7 % массы исходных 4-х  протонов.

• p+ p → 2H + e+ + νe + 0,42 МэВ
• 2H + p→ 3He + γ + 5,49 МэВ.
• 3He + 3He → 4He + 2p+ 12,85 МэВ.

Там есть еще всякие тонкости, но они для нашей темы  не принципиальны.

Впервые идею о том, что на Солнце идут термоядерные реакции высказал Эддингтон еще в 20 годах, а в конце 30-х Бете рассчитал их в деталях. А до того предлагали механизмы выделения тепла от ударов астероидов (Роберт Майер) или от гравитационного сжатия (Гельмгольц и Кельвин), затем – радиоактивный распад (Резерфорд). Нo ни один из них не мог объяснить относительно стабильное существование Cолнца в течение многих сотен миллионов лет.

Дальнейшие многочисленные астрономические наблюдения, проведеннные различными телескопами по всему миру, полностью подтвердили термоядерную гипотезу Эддингтона-Бете, превратив ее в стройную, единственно возможную теорию эволюции звезд, а с нею и картину возникновения и эволюции галактик и всей видимой нам Вселенной.

А выдающийся немецкий физик Ганс Бете (1906 – 2005), уже в качестве авторитетного американского астрофизика, был увенчан в 1967 году заслуженной Нобелевской премией.Через 20 лет после открытие им протон-протонного термоядерного синтеза как источника энергии звезд.

В земных условиях для термоядерной реакции синтеза нужно как минимум температура не менее 100 млн. градусов, а лучше – 150 млн.   И это только для самой “низкотемпературной реакции”  дейтерия (D) с тритием (Т) по такой схеме/цепочке:

D + T −> 4He + n

Здесь тоже получается ядро гелия плюс нейтрон (они несут энергию) и выделенная энергия фотонов. И тоже масса ядра гелия на 0,7 процента меньше, чем сумма масс двух протонов и двух нейтронов, из которых состоит гелий, и эта разница («дефект массы») переходит в полученную энергию в сответствии с универсальной формулой Эйнштейна Е = mc^2).

Итак, для управляемого термоядерного синтеза нужно выполнить три условия.  Про первое уже сказано – это температура не менее 100 миллионов градусов.
Второе условие: в плазме должно быть достаточное число соответствующих частиц, чтобы  реакция давала ощутимый выход энергии. И хотя плотность плазмы по обычным представлениям – это глубокий вакуум, но в сочетании с высокой температурой она обладает приличным давлением в пару атмосфер и выше. Следует помнить, что выход энергии растет как квадрат плотности плазмы. Магнитному полю трудно удержать плазму с высоким давлением, так что поле тоже нужно соответственно усиливать.

Отсюда третье условие: время удержания плазмы должно составлять многие минуты, а лучше – час и более. Тогда выход энергии станет, что называется, значимым, “прибыльным”.

Для того, чтобы термоядерный синтез стал источником энергии, произведение концентрации частиц и времени их удержания на предельно близком расстоянии друг от друга должно превышать определённую величину, которая называется критерием Лоусона. Он был впервые сформулирован в 1955 году британским физиком Дж. Д. Лоусоном в засекреченной работе. В 1957 г. была опубликована открытая научная статья. Вот этот критерий:
Nt > около 1020

где N — концентрация частиц (число частиц в кубометре объема), а t — время (в секундах).  Он определяет условия начала управляемой реакции термоядерного синтеза. Его смысл в том, что по достижении температуры запуска реакции необходим компромисс между концентрацией (или плотностью) частиц и временем их удержания в объеме, обеспечивающем эту плотность. Можно «разжечь» термоядерный синтез при меньшей концентрации частиц за счет более длительного удержания плазмы, а можно — при меньшем времени удержания плазмы за счет повышения плотности частиц в ней.

При выполнении критерия Лоусона энергия, выделяющаяся при управляемом термоядерном синтезе, превышает энергию, вводимую в систему.

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).

Теперь мы можем перейти к рассказу об устройствах, которые смогут реализовать управляемую термоядерную реакцию.

Имеется пока что два принципиально разных типов таких машин.

Первый – это реакторы с особой точкой, зоной, которые имитируют состояние недр звезд. 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 которых 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 создания управляемой реакции синтеза. В США с 2009 г. действует уникальная установка National Ignition Facility (NIF) в Национальной Ливерморской лаборатории имени Лоуренса, что примерно можно перевести как Национальная программа управляемой термоядерной реакцией (но дословно – “Национальная зажигалка”). Во время короткого импульса к капсуле с топливом, находящимся в глубоком вакууме при температуре близкой к абсолютному нулю подводится от 1,8 до 4 мегаджоуля энергии.

Другими словами, за время в одну 20-миллиардную долю секунды к капсуле подводится мощность в 500 триллионов ватт (больше мощности всех электростанций США). Этой мощности должно оказаться достаточно, чтобы мгновенно испарить оболочку капсулы, повысить температуру до 60 млн. градусов и создать взрывную волну, сжимающую пары дейтерия и трития в мишени. При этом плотность атомов водорода мишени начинает превосходить плотность свинца. В этих условиях начинается дозированная реакция синтеза атомов водорода в атомы гелия. Осуществляется термоядерный микровзрыв водорода объемом меньше спичечной головки. В NIF уже был получен выход энергии, превышающий затраченную в два раза (19 ноября 2013 г.). Измерения показали, что во время рекордных выстрелов выгорело лишь несколько процентов от всего объема дейтериево-тритиевого топлива. Если реакцию удастся запустить, энергетический выход возрастет еще как минимум на порядок.Для рекордных выстрелов были получены следующие данные. Пиковая скорость сжатия оболочки с топливом достигает 300 км/с, это одна тысячная от скорости света. В самом центре капсулы в момент максимального сжатия плотность достигает 50 г/см3, что почти в пять раз выше плотности свинца, а давление вырастает до 100 млрд. атмосфер, что сравнимо с давлением в центре Солнца. Температура доходит до 60 млн. градусов, а это уже достаточно для запуска термоядерной реакции синтеза. И действительно, в момент максимального сжатия, за время меньше наносекунды, было зарегистрировано порядка 5·1015 нейтронов с энергией, которая ожидается при термоядерной реакции слияния дейтерия и трития.

http://elementy.ru/news/432193

Но … тут есть одна сложность: установка NIF была создана не для получения энергии, а для моделирования атомных взрывов. Маленькая капелька дейтерия и трития, которые сливаются в гелий – это имитация взрыва ядерной 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. После подрыва капельки держатель испаряется, потом нужно все устанавливать заново, откачивать остатки от взрыва и пыль, проверять юстировку всей сложнейшей оптики фокусирования лазерных лучей (их там 192). Нужен месяц для восстановления работоспособности этого монстра.

Самая большая сложность вот таких импульсных реакторов типа “Шива” (так назывался первый реактор этого типа) – это  как обеспечить непрерывность процесса.

Эта непрерывность  сравнительно просто достигается в реакторах, получивших название Токамак.

Токамак – советское изобретение. Это абревиатура, означающая: Tороидальная камера с магнитными катушками. 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.


Идею предложил физик О. А. Лаврентьев в работе  1950-го года, затем  А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм в 1951 году предложили модифицировать схему, заложив теоретическую основу термоядерного реактора, где плазма имела бы форму тора и удерживалась магнитным полем. Затем рабoтами руководил академик Л.А. Арцимович, которого в США даже называют отцом Токамака. Одновременно эта же идея была предложена американскими учёными, но «забыта» до 1970-х годов.  Сам термин  «токамак» был предложен  И. Н. Головиным, учеником академика Курчатова. Первый токамак был построен в 1954 г. Всего же в мире было построено около 300 токамаков.

Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания тороидального магнитного поля. Из камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем с помощью индуктора в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера токамака является вторичной обмоткой. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы.

Протекающий через плазму ток выполняет две задачи:

• нагревает плазму так же, как нагревал бы любой другой проводник;
• создаёт вокруг себя магнитное поле.
• Магнитное поле сжимает протекающий через плазму ток. В результате образуется конфигурация, в которой винтовые магнитные силовые линии «обвивают» плазменный шнур.

Одного только нагрева за счёт протекания тока недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции. Для дополнительного нагрева используется микроволновое излучение на так называемых резонансных частотах или инжекция быстрых нейтральных атомов.

Впервые температуры, приближающиеся к необходимым для термоядерного синтеза (десятки миллионов градусов), были получены 60 лет назад. Так что – юбилей, и по этому случаю дальнейший обзор будет посвящен самому грандиозному, сложному и дорогому сооружению в мире – токамаку 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”.

Доли участников распределятся следующим образом:

• Китай, Индия, Корея, Россия, США— каждая по 1/11 суммы;
• Япония — 2/11;
• ЕС — 4/11.
• Председатель совета ИТЭР— Е. П. Велихов (избран в 2009).
• Генеральным директором ИТЭР был назначен ( 28 июля 2010) Осамa Мотодзима (Osamu Motojima).
• 5 марта 2015 года Бернард Биго (Bernard Bigot) из Франции сменил Осаму Мотодзима на посту Генерального директора.

Строительство 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. Все это свидетельствует  о невероятных по сложности проблемах, вставших перед цивилизацией. И то сказать – непросто конкурировать со звездами.

Вакуумная камера выполнена из нержавеющей стали. Её размеры: чуть больше 19 метров в «большом диаметре», 11 метров в высоту, и 6 метров «малый диаметр» (диаметр «дырки от бублика»). Масса этого компонента токамака — свыше 5000 тонн. Само же  сооружение займет площадь длиной в 1 км и шириной 400 метров.

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.

Этот DEMO тоже из рода Токамаков. О других разновидностях магнитных уловителей плазмы вроде стеллатора или магнитной бутылки пока говорить не будем. А поговорим еще немного о строительстве  грандиозного токамака ITER.

Напомню, что строить его начали в 2007 г., что  сооружение первоначально оценивалась в 5 миллиардов евро, однако постепенно предполагаемая сумма расходов выросла до 19 миллиардов, что в 3,5 раза больше, чем стоимость грандиозного ускорителя, адронного коллайдера  в Женеве. ИТЭР – самое сложное и дорогое устройство в мире за всю историю цивилизации. Это  недвусмысленно говорит о невероятной сложности проблемы термоядерного управляемого синтеза. И на этом фоне весьма забавно выглядят адепты так называемого холодного синтеза, которые на чем-то похожeм по сложности на примус (например, так называемый E-Cat шарлатана Росси) обещают получить ядерную энергию почти даром.

Ползучий холодный синтез )

В строительстве  реактора будущего ITER фактически принимает участие половина населения Земли. Это поистине может объединить людей лучше всяких мировых религий.

Сейчас на территории Прованса во Франции мы видим огромную строительную площадку ,  частично возведенные здания и уже установленные части реактора внутри них.  Внутри тороидальной камеры будет достигнута невообразимая температура в 150 миллионов градусов. ИТЭР будет давать 500 МВт энергии – это мощность крупной ТЭЦ.

Площадь всей установки равна площади 60 футбольных полей, здание реактора будет весить 320 000 тонн, все это покоится на резиновых подшипниках на случай маловероятного  землетрясения. Сам реактор весит 23 000 тонн, что в три раза больше, чем Эйфелева башня.

Для реактора изготовлено 2800 тонн сверхпроводящих магнитов, некоторые весом с  самый большой Боинг. Mагниты будут охлаждаться жидким гелием с температурой минус  -269 C, производимой крупнейшей криогенной установкой в мире, которая способна  готовить и перекачивать 12000 литров  жидкого гелия в час.

Установка состоит из миллионов прецизионных деталей, изготовляемых в семи самых промышленно развитых странах. Cобираться  многими тысячами высококвалифицированных  специалистов. И все это для того, чтобы  получить и сохранить всего один грамм плазмы с температурой 150 млн градусов в течение часа.

Чтобы оценить сложность устройства, только одна подробность:

К чистоте внутренней полости вакуумной камеры токамака предъявляются очень высокие требования. Любая деталь, прежде чем попасть в сборочный цех, должна пройти цикл работ по удалению загрязнений. В этот цикл входит сдувание пыли сжатым воздухом, обмывка дистиллированной водой со специальными моющими средствами, сушка. Во время очистки загрязнения с деталей могут попасть в атмосферу здания. Поэтому перед открытием ворот, соединяющих это помещение со сборочным цехом, воздух внутри здания очистки вентилируется не менее 8 часов. Для транспортировки деталей создаются уникальные самоходные трейлеры. Например, один из трейлеров должен будет доставить из здания Криостата в сборочный цех поддон криостата весом 1250 тонн. Фундамент здания с запасом расчитан на такие нагрузки. Размер здания очистки 39,5 м в ширину, 48 м в длину и 19,5 м в высоту.

Стоимость и трудоемкость ИТЭР таковы, что самый до этого перспективный токамак в мире Alcator C-Mod в Массачусетском Технологическом институте закрыли ради того, чтобы все интеллектуальные силы и средства бросить на ИТЭР.  Перед закрытием в последний день работы 23 сентября 2016  токамак МТИ поставил новый мировой рекорд давления плазмы. В атомном реакторе Alcator C-Mod был достигнут результат в 2,05 атмосфер, что на 15% выше предыдущего.

Alcator C-Mod – единственный в мире компактный реактор термоядерного синтеза, который может создать магнитное поле индукцией 8 Тесла — т.е. в 160 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли. Оно позволяет создавать плотную, горячую плазму, которая может быть стабильной при температуре выше 80 миллионов градусов Цельсия.

В этом последнем эксперименте физики  создали магнитное поле “всего лишь” силой 5,7 Тесла. Этого хватило, чтобы нагреть плазму до 35 миллионов градусов  – температуры, в два раза превышающей жар солнечного ядра. Во время эксперимента в плазме произошло 300 триллионов реакций синтеза в секунду, что дало выход энергии, почти равной затраченной на разогрев (4 МГв – это почти столько, сколько давала Обнинская АЭС). А ведь этот реактор – самый маленький из токамаков. Вот сравнительные размеры токамаков:

Но вернемся к ИТЭР.

Своей максимальной мощности ИТЭР достигнет только к 2035 году, и если все пойдет так, как рассчитывают, то он станет основой первых термоядерных электростанций. Сам ИТЭР полученную энергию использовать не будет, она просто станет рассеиваться в пространстве. Использовать ее будет следующий реактор, упомянутый выше DEMO,  проектирование которого уже началось.  Предполагается, что действующие промышленные  термоядерные электростанции начнут работать к  2050 году. Это не скоро, но намного реальнее, чем коммунизм к 1980 г.

См. http://www.nature.com/news/us-advised-to-stick-with-troubled-fusion-reactor-iter-1.19994

---

Валерий ЛЕБЕДЕВ.
США. Бостон.
Для “RA NY”