Рождение термоядерной энергетики

1 Ноября 1952 года в США впервые был взорван термоядерный заряд, что стало подтверждением возможности получения термоядерной реакции человеком.

Кадр из кинохроники: Испытание самой мощной термоядерной бомбы

30 октября 1961 года в СССР подтвердили возможность создания взрыва практически любой мощности, взорвав термоядерную «Царь-бомбу».

Сразу после этого умы учёных во всём мире начали будоражить идеи и концепции по управляемой термоядерной реакции. Однако, ещё в 1948 году Олег Александрович Лаврентьев сформулировал концепцию управляемого термоядерного синтеза, а в 1950 успешно обсчитал конструкцию термоядерного реактора.

Олег Александрович Лаврентьев — отец термоядерного реактора

За пределами научной цивилизации солдат срочной службы формулирует и обсчитывает теоретическую задачу физики плазмы всего 20 века.

В середине 1950-х годов начались активные исследования физики плазмы, создавались различные магнитные ловушки и термоядерные установки. Физики-экспериментаторы добивались всё более устойчивых параметров плазмы, повышали её температуру, научились изолировать и стабилизировать высокоэнергетическую плазму.

Открытая ловушка ПР-5. Плотность плазмы была невысокой , однако удалось достичь температуру в 40 миллионов градусов цельсия.


Было очевидно, что запасы топлива для термоядерной реакции практически безграничны.

Из всевозможных теоретических и практических схем магнитных плазменных ловушек наиболее перспективным казался ТОКАМАК.

ТОКАМАК Т-1 (ТМП) построен в 1954 году. Представлял тороидальную установку для магнитного удержания плазмы.

В 1962 году в СССР осуществлён физический пуск ТОКАМАКА “ТМ-3”. Именно на этом реакторе 1968 году были достигнуты показатели температуры плазмы более 10 миллионов градусов. Эти параметры плазмы в 10 раз превосходили лучшие показатели остального мира.

В столь невероятные результаты «западный мир» попросту отказывался верить. Тогда английских специалистов лично пригласили собственным оборудованием измерить параметры плазмы. В 1969 году они подтвердили результаты.

Это и определило выбор конструкции реакторов типа ТОКАМАК над прочими моделями, для дальнейших работ над управляемым термоядерном синтезом. Начиная с 1970-х годов в мире начался бум строительства ТОКАМАКОВ. 

Главным фактором в осуществлении концепции управляемого термоядерного синтеза являются параметры плазмы. Токамаки тогда конкурировали с ловушками открытого типа, в которых тоже были достигнуты хорошие результаты параметров плазмы. Так, в 1975 году в США, в ловушке открытого типа 2Х-IIB были достигнуты оптимальные параметры ионов для термоядерной реакции дейтерия и трития.

Магнитная ловушка 2Х-IIB, 1978 год.

Всё это воодушевляло учёных, и даже скептики уже считали, что первые коммерческие термоядерные реакторы появятся до 2000 года.

В США осуществляли сразу две концепции по созданию установки управляемого термоядерного синтеза. Приоритет был отдан ТОКАМАКУ, однако, в случае провала его должна была страховать изначальная концепция США — ловушки открытого типа. Самым известным проектом США в этом направлении был «MFTF». В Европе и Японии ТОКАМАК стал основной технологией изучения и создания высокотемпературной плазмы.

Перевозка 400-тонного сверхпроводящего магнита проекта «MFTF» США 1981 год

Монтаж сверхпроводящих магнитных модулей «MFTF» США 1984 год

Однако, как всегда, что-то пошло не так.

Изначально описанная и изученная плазма начала выдавать сюрпризы и требовала всё больших температур для реакции. Более того, уже стало очевидно, что сам факт получения управляемой термоядерной реакции фактически ничего не даёт. Нужно преодолеть критерий Лоусона, чтобы получить хотя бы беззатратную, с энергетической точки зрения термоядерную реакцию.

Так, на ТОКАМАКЕ “Т-10” в СССР и “Princeton LargeTorus” в США в конце 1970-х годов достигли устойчивых показателей температуры плазмы для запуска термоядерных реакций. Однако по критерию Лоусона они отставали в 200 раз.

ТОКАМАК Т-10 запущен в 1975 году

Устойчивые термоядерные реакции более не являлись показателем успешности проекта, началась гонка за преодоление нового барьера – критерия Лоусона.

Реакция синтеза Дейтерия и Трития

Сам критерий Лоусона представляет собой показатель энергетической безубыточности протекания термоядерных реакций. Так, в реакции дейтерия и трития образуется 17,6 МэВ энергии, более 80% которой приходится на энергию нейтрона, образованного в результате слияния атомных ядер. Плазма прозрачна для нейтрона и он с очень малой вероятностью прореагирует с другими ядрами атомов, унеся энергию из плазмы. Тем самым, плазма охлаждается, её температура снижается, и термоядерная реакция затухает. Требуется постоянный сторонний нагрев плазмы для поддержания термоядерных реакций, чтобы компенсировать потерю энергии при очередном цикле термоядерной реакции. Чтобы затраты энергии на поддержания температуры плазмы были равны суммарной выделенной энергии в ходе термоядерных реакций, нужно произвести соответствующее количество реакций дейтерия с тритием. Так, при температуре плазмы в 110 миллионов градусов количество реакций дейтерия с тритием на 1 см3 должно быть не менее 10 в 14 степени.

Тут непринципиально, за какое время произойдет нужное количество реакций: за 1 секунду или за 1 наносекунду, критерий Лоусона от этого не поменяется. Но вот удержать температуру плазмы более 100 миллионов градусов в течение 1 наносекунды, или 1 секунды – очень большая разница.

Реакция дейтерия с тритием является самой изученной и простой в получении.

К середине 1980-х годов, по показателю критерия Лоусона ТОКАМАКИ превосходили все прочие технические решения того времени. Это окончательно закрепило за ними статус наиболее продуктивного подхода в освоении термоядерной энергии. Фактически, запуск нового американского токамака «TFTR», на котором уже намеривались получить безубыточный термоядерный синтез с преодолением критерия Лоусона, окончательно похоронил альтернативную установку «MFTF».

Крупнейший на момент создания ТОКАМАК «TFTR». В 1983 г. советские специалисты участвовали в первых экспериментах по пуску токамака TFTR

Ко времени окончания строительства «MFTF», ТОКАМАКИ добились обобщённых характеристик плазмы, более подходящих для управляемого безубыточного термоядерного синтеза. Никакого смысла развивать и тратить ресурсы на проект «MFTF» не было, и его так и не запустили, не проведя ни одного эксперимента, хотя он был в полностью готовом состоянии.

Однако, с каждым очередным рубежом поднятия температуры и давления, плазма была более капризной к условиям. Так, любое, даже самое минимальное отклонение в магнитном поле, удерживающим плазму, провоцировало разрушение состояния плазмы и всякого рода утечки. При температурах 100–150 миллионов градусов Цельсия малейшие загрязнения плазмы провоцировали остановку реакции. Всё это вылилось в ещё одну проблему – время удержания плазмы.

Химический анализ пыли показывает присутствие элементов деталей, подверженных воздействию плазмы. Например, диафрагмы и элементов других деталей токамака.

В конце 1980-х годов ТОКАМАКИ вплотную приблизились к необходимому критерию Лоусона (всего 5 раз меньше), но дальнейшее изучение плазмы вновь разбило надежды учёных на скорое освоение управляемого термоядерного синтеза. Оказалось, что даже преодолев барьер Лоусона, никакого выигрышного энергетического эффекта не получить, если продолжать вкачивать энергию в плазму. Требовалось перейти на принципиально новый уровень – самоподдержание термоядерной реакции. Такой критерий носит название «Зажигание плазмы», и для дейтерий-тритиевой реакции он в два раза больше критерия Лоусона.

Журнал «Техника молодежи», 1989-07, страница 32

Миру стало очевидно, что подобные проблемы в одиночку не решить, и, в 1992 году Россией, Европейским Союзом, США и Японией был инициирован амбициозный проект «ITER».

Строительство самого сложного сооружения за всю историю человечества. (2017 год)

Это новый этап в развитии термоядерной энергетики, о нём мы поговорим в следующей части. Продолжение следует…

Автор: Кочетов Алексей 

Читайте Биография Лаврентьева О.А.


Больше на Granite of science

Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.

Добавить комментарий

Больше на Granite of science

Оформите подписку, чтобы продолжить чтение и получить доступ к полному архиву.

Читать дальше