Ядерный синтез крутой или горячий — выберите свое любимое прилагательное. Эта статья является частью нашей серии фьюжн. Основную статью о фьюжне читайте здесь . Хотите узнать больше об аспекте коммерциализации термоядерного синтеза? Получите все подробности здесь .

Айрис тен Хав , Эшель Липман и Торбен Шрайтер

Есть много причин, по которым люди с энтузиазмом относятся к ядерному синтезу. Для нас это сводится к четырем:

1. Безуглеродный . Fusion не выделяет CO2; единственными побочными продуктами термоядерных реакций являются небольшие количества гелия.
2. Энергетические качества базовой нагрузки . Термоядерный синтез может обеспечивать энергией круглосуточно и без выходных (в отличие от ветра и солнца, которые работают с перебоями и нуждаются в хранении).
3. Термоядерное топливо имеется в изобилии и доступно . Fusion может покрыть годовой спрос на электроэнергию одного немецкого домохозяйства (± 3000 кВтч) за счет дейтерия, содержащегося в 45 литрах воды, и лития из батареи старого ноутбука. На практике это немного сложнее, но мы вернемся к этому позже в статье.
4. Плотность энергии . Термоядерный синтез может генерировать почти в четыре миллиона раз больше энергии на килограмм топлива, чем при сжигании нефти или угля .

Так что же такое фьюжн? Начнем с простого объяснения, поскольку большинство из нас не являются экспертами в области физики плазмы. Синтез — это процесс объединения двух атомов в один с выделением большого количества энергии. Дейтерий и тритий, существенно более тяжелые формы водорода, являются наиболее распространенными видами термоядерного топлива. В то время как водород состоит из положительно заряженного протона, окруженного отрицательно заряженным электроном , ядро ​​дейтерия содержит один дополнительный нейтрон (нейтрально заряженная частица), а ядро ​​трития содержит два нейтрона. Когда эти два вещества сливаются, образуются гелий и нейтрон, и выделяется огромное количество энергии.

Почему при синтезе выделяется так много энергии? Чтобы лучше понять это, мы должны взглянуть на знаменитую формулу Альберта Эйнштейна E=mc^2 . E обозначает энергию, m — массу, а c — константу, указывающую на скорость света (3 x 10 ^ 8 метров в секунду). Уравнение Эйнштейна показывает, что энергия и масса связаны друг с другом. Когда скорость света в квадрате ( c^2 ) умножается на массу системы, получается энергия этой системы. Это показывает, что крошечное количество массы может быть преобразовано в огромное количество энергии.

Энергия связи ядер позволяет высвобождать это огромное количество энергии, что связано с концепцией, называемой «дефект массы». Эта концепция говорит нам, что масса ядра атома (ядра) меньше, чем если бы частицы, из которых состоит ядро ​​(нуклоны), были отдельными. Поначалу это может звучать немного абстрактно, но применительно к термоядерному синтезу это фактически означает, что дейтерий и тритий вместе тяжелее гелия и нейтрона вместе, а разница масс, умноженная на c ^ 2 (скорость света), дает ядерную связь энергия, которая представляет собой количество высвобождаемой энергии. Посмотрите на иллюстрацию ниже:

Несмотря на то, что концепция кажется простой, для осуществления реакций ядерного синтеза на практике требуются определенные усилия. Физики плазмы делают это с помощью комбинации трех параметров: плотности (n), температуры (T) и времени удержания (τE) . Как правило, в качестве эталона прогресса используется значение тройного произведения (nTτE) — научный термин, представляющий объединенное значение плотности плазмы, времени удержания плазмы и температуры. Термоядерный реактор должен достичь критической плотности частиц топлива, времени удержания и температуры плазмы (критерии Лоусона), чтобы достичь чистой положительной выходной энергии.

При определенном значении тройного произведения, называемого воспламенением , реакция становится самоподдерживающейся: тепла, выделяемого реакцией, достаточно для поддержания температуры плазмы, чтобы можно было отключить внешние системы нагрева. Давайте подробнее рассмотрим основные параметры для слияния.

1. Температура (Т)

Чем выше температура, тем более энергичными становятся частицы. При достаточно высоких температурах энергия частиц может преодолеть электростатическое отталкивание и приблизиться друг к другу достаточно, чтобы слиться. Это называется термоядерным воспламенением и переводит материал в состояние, называемое плазмой.

Плазма — это четвертое состояние вещества, в котором электроны не связаны с атомами. Вместо этого они существуют свободно в присутствии электрического поля. В результате получается газ с высокой электропроводностью, который можно использовать для ограничения и контроля термоядерных реакций. Чтобы запустить любую реакцию ядерного синтеза, термоядерное топливо необходимо нагреть с помощью внешних источников.

2. Плотность (n)

Плотность относится к числу частиц в данном объеме. Чем больше частиц в данном объеме, тем выше вероятность того, что они столкнутся и сольются. Чтобы произошло слияние, должна быть достигнута определенная критическая масса. Это известно как предел Чандрасекара .

В следующей части мы поделимся несколькими способами увеличения плотности термоядерного топлива. В большинстве случаев плотность увеличивается либо за счет сильных магнитных полей, либо за счет высокого давления, создаваемого мощными лазерами.

3. Время удержания (τE)

Время удержания или время удержания энергии указывает скорость, с которой удерживаемая плазма теряет энергию в окружающую среду. Параметр удержания особенно важен, потому что он определяет время, в течение которого плазма самоподдерживается при температуре выше критической температуры воспламенения. Чтобы получить от синтеза больше энергии, чем затрачивается на нагрев плазмы, плазма должна поддерживаться при этой температуре в течение некоторого минимального времени.

Три приведенных выше параметра помогут нам добраться до всеобъемлющего святого Грааля в синтезе: получать больше энергии, чем вкладывать.

В то время как получение чистой энергии от ядерного синтеза в основном определяется физическими соображениями , строительство реального реактора в основном связано с инженерией. В настоящее время термоядерные устройства имеют большие размеры. Например, во время нашего глубокого погружения мы посетили Wendelstein 7-X, высота которого составляет 3,5 м, а диаметр — 11 м . Конечно, впечатляет, но это не устройство для домашнего использования. К счастью, размер устройства определяется технологиями и инженерными соображениями, что в конечном итоге делает возможной разработку устройств меньшего размера. Тем не менее, давайте взглянем на перспективные конструкции термоядерных устройств в следующем разделе.

Использование силы звезд: четыре основных подхода к созданию изоляции в термоядерном синтезе

Так почему же ядерный синтез происходит спонтанно на Солнце, а не на Земле? Солнце примерно в 330 000 раз больше Земли и, следовательно, намного тяжелее. Это приводит к очень сильным гравитационным силам , которые естественным образом вызывают синтез. Поскольку Земля намного легче Солнца, у нас нет этих гравитационных сил. Поэтому, чтобы компенсировать этот недостаток гравитации при создании самоподдерживающегося ядерного синтеза на Земле, нам нужны чрезвычайно высокие температуры (> 100 миллионов градусов по Цельсию), длительное время удержания и определенная плотность, чтобы увеличить вероятность ядерного синтеза. происходят реакции. Фактически, температура, необходимая на Земле для создания условий для ядерного синтеза, должна быть примерно в 7 раз выше, чем в центре нашего Солнца.

Как мы создаем эти условия искусственно?

Глядя на солнце, первое, о чем вы можете подумать, это обогрев. Хотя внешние системы нагрева, безусловно, необходимы для запуска реакций ядерного синтеза, плотность плазмы и время удержания более сложны для правильной настройки, чем нагрев. Поэтому мы сосредоточимся в основном на методах создания высокой плотности плазмы путем сжатия и методах, связанных со временем удержания. Четыре наиболее распространенных подхода к ядерному синтезу — это токамак, стелларатор, Z-пинч и лазеры. Давайте подробнее рассмотрим каждый из них.

Токамак

Токамак является наиболее распространенным типом магнитного удерживающего устройства . Он использует тороидальную камеру (в форме пончика) и полагается на сильные магнитные поля для удержания плазмы. Кроме того, петлевая форма традиционно предназначалась для уменьшения количества энергичных частиц (т. е. «альфа-частиц» или «ядер гелия»), выходящих за пределы локализации, что происходит в линейных реакторах. Форма петли обеспечивает непрерывный ток плазмы.

Самым известным токамаком на сегодняшний день, вероятно, является Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) . В настоящее время во Франции строится этот самый большой токамак на сегодняшний день, и он призван продемонстрировать возможность получения термоядерной энергии примерно к концу десятилетия.

Токамаки, теоретически, являются относительно простыми устройствами, и было показано, что они хорошо работают при настройке базовой стадии и приближении к зажиганию. Они также регулируются и модифицируются как по размеру, так и по объему. Это упрощает достижение очень высоких температур и обеспечивает подход к решению проблемы достижения сильных магнитных полей, которые вынуждают использовать дорогие и сложные сверхпроводники. Однако основная проблема конструкции заключается в том, что контролировать турбулентность внутри плазмы сложно, поскольку альфа-частицы стремятся быстро «покинуть» реактор, что приводит к значительным потерям эффективности.

Известные компании : Commonwealth Fusion Systems и Tokamak Energy .

Стелларатор

Стелларатор — еще один тип магнитного удерживающего устройства. В нем используется похожая геометрия камеры, но с более сложными магнитами, расположенными таким образом — спирально — что они компенсируют некоторые нежелательные силы, действующие на плазму. Это делает их более сложными и дорогими в производстве, но у них есть несколько потенциальных преимуществ перед токамаками, включая лучшую стабильность, снижение нежелательной турбулентности и улучшенные характеристики при высоких температурах. Wendelstein 7-X , расположенный в Грайфсвальде, Германия, является крупнейшим в мире термоядерным устройством типа стелларатор.

Хотя Вендельштейн является крупнейшим термоядерным устройством, на самом деле ему не хватает литиевого покрытия, которое потребовалось бы для сбора энергии. Он предназначен только для исследовательских целей. Чтобы генерировать энергию, все устройство должно быть полностью переработано, поскольку радиус стелларатора должен быть увеличен примерно на 1 м, чтобы соответствовать литиевому бланкету. Следовательно, необходимо будет спроектировать и построить новые спиральные змеевики, поскольку их необходимо расположить за пределами бланкета. Фактически это означает, что Вендельштейн — по замыслу — не способен генерировать какую-либо энергию.

Стеллараторы похожи на токамаки в том смысле, что они оба предназначены для поддержки непрерывных процессов. Поток плазмы постоянно генерирует нейтроны, которые в конечном итоге захватываются литиевым бланкетом, выстилающим стенки корпуса реактора. Все существующие прототипы термоядерных реакторов (токамаки и стеллараторы) были построены без литиевых бланкетов для упрощения установки. Следовательно, с помощью этих прототипов невозможно преобразовать энергию в электричество. При наличии литиевых одеял часть вырабатываемого тепла будет использоваться для выработки электроэнергии, и эта конструкция дополнительно позволяет образовывать тритий и обеспечивает постоянное пополнение термоядерного топлива. Однако есть одна загвоздка: только менее распространенный изотоп лития, Li-6, подходит как для теплопередачи, так и для производства трития.. Встречающийся в природе литий в основном состоит из Li-7, не способствующего реакции, и содержит всего 2–8% Li-6 . Учитывая тот факт, что эффективный литиевый бланкет должен содержать не менее 40% Li-6 , это может привести к проблемам с цепочкой поставок.

Известные компании : Princeton Stellarators и Type One Energy.

Z-пинч

Z-пинчииспользуйте другой подход для создания магнитного удержания. Используя электрические токи, протекающие через саму плазму, проводящая плазма, следовательно, генерирует сильные магнитные поля. Эти поля создают огромные силы, толкающие плазму дальше внутрь к центру контейнера, где она находится. Этот процесс сжатия описывается как «щипок». Теоретически такое защемление может создать условия, которые можно квалифицировать как заключение под стражу. Если топливная таблетка расположена в правильном положении, эта сила может привести к воспламенению термоядерного синтеза. Однако в тот момент, когда происходит пинч, магнитные поля меняются и в конечном итоге коллапсируют, что приводит к очень короткому времени удержания. Проблема с коротким временем удержания заключается в том, что системе необходимо достичь еще более высоких температур и плотностей (когда мы работаем при более низком τE, нам нужны более высокие значения для n &

Известная компания : Zap Energy .

Лазеры

Лазеры могут создавать условия термоядерного синтеза, используя свой высокоэнергетический луч для нагрева и сжатия небольшой гранулы топлива. Примером этого является недавнее достижение NIF . Лазерные термоядерные реакторы, по сути, удерживают топливо на месте, пока оно взрывается для достижения синтеза .

Что отличает лазерное удержание от токамаков или стеллараторов, так это то, как распределяется топливо. В то время как в магнитном удержании топливо будет распределено по всей камере, реактор на основе лазера требует производства специальных дейтериево-тритиевых топливных таблеток и вставки каждой таблетки в определенную точку схождения всех лазеров в камере воспламенения. .

Известные компании : General Fusion, Fuse и Marvel Fusion.

Другие подходы (и подподходы) основаны на модифицированных стеллараторах или других системах, использующих как инерционное, так и магнитное удержание, например конфигурации с обращенным полем.

Подводя итог, ниже представлена ​​рыночная карта избранных академических учреждений и компаний, работающих в области ядерного синтеза. Хотите узнать больше об аспекте коммерциализации синтеза? Получите все подробности здесь .

Большое спасибо доктору Энджи Кэрри за помощь в понимании науки и технологии горячего синтеза.

Продолжайте читать наше подробное погружение в тему фьюжн здесь , где мы переходим к аспекту коммерциализации фьюжн, или вернитесь к основной статье серии .