Синтез термоядерний. Проблеми термоядерного синтезу

Інноваційні проекти з використанням сучасних надпровідників найближчим часом дозволять здійснити керований термоядерний синтез - так стверджують деякі оптимісти. Експерти, однак, прогнозують, що практичне застосування займе кілька десятиліть.

Чому так складно?

Енергія термоядерного синтезу вважається потенційним джерелом енергії майбутнього. Це чиста енергія атома. Але що ж вона собою являє і чому її так складно домогтися? Для початку слід розібратися з різницею між класичним розподілом ядра і термоядерним синтезом.

Розподіл атома полягає в тому, що радіоактивні ізотопи - уран або плутоній - розщеплюються і перетворюються в інші високорадіоактивні ізотопи, які потім повинні бути поховані або перероблені.

реакція термоядерного синтезу полягає в тому, що два ізотопу водню - дейтерій і тритій - зливаються в єдине ціле, утворюючи неотруйний гелій і єдиний нейтрон, не роблячи радіоактивних відходів.

проблема контролю

Реакції, які відбуваються на Сонці або у водневій бомбі, - це синтез термоядерний, і перед інженерами стоїть грандіозне завдання - як контролювати цей процес на електростанції?

Це те, над чим вчені працюють починаючи з 1960-х років. Черговий експериментальний реактор термоядерного синтезу під назвою Wendelstein 7-X почав роботу в північному німецькому місті Грайфсвальді. Поки що він не призначений для створення реакції - це просто особлива конструкція, яка проходить випробування (стелларатор замість токамака).

високоенергетичних плазма

Все термоядерні установки, мають спільну рису - кільцеподібної формою. В її основі лежить ідея використання потужних електромагнітів для створення сильного електромагнітного поля, що має форму тора - надутим велосипедної камери.

Відео: Енергія майбутнього ч.2 Термоядерний синтез

Це електромагнітне поле повинно бути настільки щільним, що, коли воно нагрівається в мікрохвильовій печі до одного мільйона градусів за Цельсієм, в самому центрі кільця повинна з`явитися плазма. Потім вона запалюється, щоб синтез термоядерний міг початися.

демонстрація можливостей

У Європі в даний час проводиться два подібних експерименту. Одним з них є Wendelstein 7-X, який недавно згенерував свою першу гелієву плазму. Інший - ITER - величезна експериментальна установка термоядерного синтезу на півдні Франції, яка все ще перебуває в стадії будівництва і буде готова до запуску в 2023 році.

Передбачається, що на ITER відбуватимуться справжні ядерні реакції, правда, лише протягом короткого періоду часу і вже точно не довше 60 хвилин. Цей реактор є лише одним з багатьох кроків на шляху до того, щоб на практиці здійснити ядерний синтез.

Термоядерний реактор: менше і могутніше

Нещодавно кілька конструкторів оголосили про створення нового дизайну реактора. За словами групи студентів з Массачусетського технологічного інституту, а також представників компанії - виробника озброєнь «Локхід Мартін», термоядерний синтез можна здійснити в установках, які набагато могутніше і менше, ніж ITER, і вони готові зробити це протягом десяти років.

Відео: Енергетика майбутнього. керований термоядерний синтез Ігор Семенов

Ідея нової конструкції полягає в використанні в електромагнітах сучасних високотемпературних надпровідників, які проявляють свої властивості при охолодженні рідким азотом, а не звичайних, для яких необхідний рідкий гелій. Нова, більш гнучка технологія дозволить повністю змінити конструкцію реактора.

Клаус Хеш, що відповідає за технологією ядерного синтезу в Технологічному інституті Карлсруе на південному заході Німеччини, налаштований скептично. Він підтримує використання нових високотемпературних надпровідників для нових конструкцій реакторів. Але, за його словами, щось розробити на комп`ютері з урахуванням законів фізики недостатньо. Необхідно взяти до уваги виклики, які виникають при втіленні ідеї на практиці.

Відео: Ядерний синтез сінтеза.wmv

Наукова фантастика

За словами хешу, модель студентів MIT показує лише можливість здійснення проекту. Але насправді в ній багато наукової фантастики. Проект передбачає, що серйозні технічні проблеми термоядерного синтезу вирішені. Але сучасна наука не має ні найменшого уявлення про те, як їх вирішити.

Однією з таких проблем є ідея розбірних котушок. Для того щоб потрапити всередину кільця, який утримує плазму, в моделі MIT-дизайну електромагніти можуть бути розібрані.

Це було б дуже корисно, тому що можна б було мати доступ до об`єктів у внутрішній системі і замінювати їх. Але в дійсності надпровідники виконані з керамічного матеріалу. Сотні їх повинні бути переплетені витонченим способом, щоб сформувати правильне магнітне поле. І тут виникають більш фундаментальних проблем: з`єднання між ними не такі прості, як з`єднання мідних кабелів. Ніхто ще навіть не замислювався про концепціях, які б допомогли вирішити подібні проблеми.

занадто гаряче

Висока температура також є проблемою. У серцевині термоядерної плазми температура досягне близько 150 мільйонів градусів за Цельсієм. Ця екстремальна спека залишається на місці - прямо в центрі іонізованого газу. Але навіть навколо неї все ще дуже жарко - від 500 до 700 градусів в зоні реактора, що є внутрішнім шаром металевої труби, в якій буде «відтворюватися» тритій, необхідний для того, щоб відбувався ядерний синтез.

Термоядерний реактор має ще більшу проблему - так званий випуск потужності. Це частина системи, в яку з процесу синтезу надходить використане паливо, в основному гелій. Перші металеві компоненти, в які потрапляє гарячий газ, називаються «дивертор». Він може нагріватися понад 2000 ° C.

Відео: Видобуток енергії майбутнього HD Енергія Планети 2016

проблема дивертора

Щоб установка могла витримувати такі температури, інженери намагаються використовувати металевий вольфрам, застосовуваний в старомодних лампах розжарювання. Температура плавлення вольфраму близько 3000 градусів. Але є й інші обмеження.

У ITER це можна зробити, тому що нагрівання в ній відбувається не постійно. Передбачається, що реактор буде працювати лише 1-3% часу. Але це не варіант для електростанції, яка повинна працювати в режимі 24/7. І, якщо хтось стверджує, що здатний побудувати менший реактор з такою ж потужністю, як ITER, можна впевнено сказати, що у нього немає рішення проблеми дивертора.

Електростанція через кілька десятиліть

Проте вчені з оптимізмом дивляться на розвиток термоядерних реакторів, правда, воно буде не таким швидким, як пророкують деякі ентузіасти.

ITER повинен показати, що керований термоядерний синтез насправді може виробити більше енергії, ніж буде витрачено на нагрів плазми. Наступним кроком буде будівництво абсолютно нової гібридної демонстраційної електростанції, яка б насправді виробляла електроенергію.

Інженери вже зараз працюють над її дизайном. Вони повинні будуть винести уроки з ITER, запуск якої запланований на 2023 р Беручи до уваги час, необхідний для проектування, планування та будівництва, здається малоймовірним, що перша термоядерна електростанція буде запущена набагато раніше середини XXI століття.

Холодний термоядерний синтез Россі

У 2014 році незалежний тест реактора E-Cat прийшов до висновку, що пристрій протягом 32 днів в середньому виробляло 2800 Вт вихідної потужності при споживанні 900 Вт. Це більше, ніж здатна виділити будь-яка хімічна реакція. Результат говорить або про прорив в термоядерному синтезі, або про відверте шахрайство. Звіт розчарував скептиків, які сумніваються в тому, чи була перевірка дійсно незалежною і припускають можливу фальсифікацію результатів тестування. Інші зайнялися з`ясуванням «секретних інгредієнтів», які дозволяють здійснити термоядерний синтез Россі, щоб відтворити цю технологію.

Россі - шахрай?

Андреа імпозантний. Він видає відозви до світу на унікальному англійському в розділі коментарів свого веб-сайту, претензійно названого «Журнал ядерної фізики». Але його попередні невдалі спроби включали італійський проект перетворення сміття в паливо і термоелектричний генератор. Petroldragon, проект переробки відходів в джерело енергії, не вдався почасти тому, що нелегальне поховання відходів контролюється італійської організованою злочинністю, яка порушила проти нього кримінальну справу про порушення правил поводження з відходами. Також він створив термоелектричне пристрій для Інженерного корпусу сухопутних військ США, але під час тестування гаджет справив лише частина заявленої потужності.

Багато хто не довіряють Россі, а головний редактор New Energy Times прямо назвав його злочинцем, за плечима якого низка невдалих енергетичних прожектів.

незалежна перевірка

Россі уклав контракт з американською компанією Industrial Heat на проведення річних секретних випробувань 1-МВт установки холодного термоядерного синтезу. Пристрій був транспортувальний контейнер, упакований десятками E-Cat. Експеримент мав контролюватися третьою стороною, яка б могла підтвердити, що дійсно має місце генерація тепла. Россі стверджує, що провів більшу частину минулого року, практично живучи в контейнері, і спостерігав за операціями протягом більше 16 год на добу, щоб довести комерційну життєздатність E-Cat.

Тест завершився в березні. Прихильники Россі з нетерпінням чекали звіту спостерігачів, сподіваючись на виправдання свого героя. Але в підсумку вони отримали судовий процес.

Судовий розгляд

У своїй заяві до суду Флориди Россі стверджує, що тест пройшов успішно і незалежний арбітр підтвердив, що реактор E-Cat виробляє в шість разів більше енергії, ніж споживає. Він також стверджував, що компанія Industrial Heat погодилася заплатити йому 100 млн доларів США - 11,5 млн авансом після 24-годинного випробування (нібито за права ліцензування, щоб компанія могла продавати цю технологію в США) і ще 89 млн після успішного завершення розширеного випробування протягом 350 днів. Россі звинувачував IH в проведенні «шахрайської схеми», метою якої була крадіжка його інтелектуальної власності. Він також звинуватив компанію в незаконному привласненні реакторів E-Cat, незаконному копіюванні інноваційних технологій і продуктів, функціональних можливостей і конструкцій і неправомірної спробі отримати патент на його інтелектуальну власність.

золота жила

В іншому місці Россі стверджує, що на тлі однієї з його демонстрацій компанія IH отримала від інвесторів 50-60 млн доларів і ще 200 млн від Китаю після відтворення за участю китайських посадових осіб вищого рівня. Якщо це правда, то на кону набагато більше ста мільйонів доларів. Industrial Heat відкинула ці претензії як безпідставні і збирається активно захищатися. Що ще більш важливо, вона стверджує, що «протягом більше трьох років працювала над підтвердженням результатів, яких нібито домігся Россі зі своєю E-Cat-технологією, і все безуспішно».

IH не вірить в працездатність E-Cat, і журнал New Energy Times не бачить причин, щоб в цьому сумніватися. У червні 2011 року представник видання відвідував Італію, взяв інтерв`ю у Россі і зняв демонстрацію його E-Cat. Через добу він повідомив про свої серйозні побоювання щодо способу вимірювання теплової потужності. Через 6 днів журналіст виклав своє відео на YouTube. Експерти з усього світу надсилали йому аналізи, які були опубліковані в липні. Стало ясно, що це був обман.

експериментальне підтвердження

Проте ряду дослідників - Олександру Пархомова з Російського університету дружби народів і Проекту пам`яті Мартіна Флейшман (MFPM) - вдалося відтворити холодний термоядерний синтез Россі. Звіт MFPM називався «Кінець вуглецевої ери близький». Причиною такого захоплення стало виявлення сплеску гамма-випромінювання, яке неможливо пояснити інакше, як термоядерної реакцією. На думку дослідників, у Росії є саме те, про що він говорить.

Життєздатний відкритий рецепт холодного ядерного синтезу здатний викликати енергетичну «золоту лихоманку». Можуть бути знайдені альтернативні методи, які дозволять обійти патенти Россі і залишити його в стороні від багатомільярдного енергетичного бізнесу.

Так що, можливо, Россі волів би уникнути цього підтвердження.