Термоядерный синтез

4.2. История управляемого термоядерного синтеза.

В 1934 году английский астрофизик Артур Эддингтон выпустил книгу  «Новые пути в науке», в которой  рассуждал о возможностях проведения термоядерной реакции на земле, для  чего предполагалось использовать тритий – изотоп водорода. Поджечь такое  топливо, по мнению астрофизика, можно, только сильно сжав водород. В той  же книге впервые прозвучало предупреждение о том, что такие реакции могут  быть использованы и для создания невиданного доселе оружия. Что спустя почти двадцать лет и произошло…

Олег Лаврентьев впервые в мире в 1950 году сформулировал задачу использования управляемого термоядерного синтеза для мирной энергетики и разработал конструкцию первого реактора. Тогда 24-летний Лаврентьев предложил и оригинальную конструкцию водородной бомбы. Он описал принцип действия водородной бомбы, где в качестве горючего использовался твердый дейтерид лития. Во второй части он предложил использовать управляемый термоядерный синтез для производства электроэнергии. Цепная реакция синтеза легких элементов должна идти здесь не по взрывному типу, как в бомбе, а медленно и регулируемо. Опередив и отечественных, и зарубежных ядерщиков, Олег Лаврентьев решил главный вопрос - как изолировать разогретую до сотен миллионов градусов плазму от стенок реактора. Он предложил на тот момент революционное решение - в качестве оболочки для плазмы использовать силовое поле, в первом варианте – электрическое.

12 августа 1953 года в СССР успешно  испытывается термоядерный заряд,  в котором используется дейтерид лития.

Дополнительным толчком к началу работ по термоядерной проблеме послужило  заявление, сделанное весной 1951 года президентом Аргентины Хуаном Перроном. В нем сообщалось «об успешном контролируемом высвобождении атомной  энергии при сверхвысокой температуре  в миллион градусов без использования  уранового топлива. Научным руководителем новой темы был утвержден член-корреспондент АН СССР Лев Арцимович, его заместителем по теоретической части – молодой кандидат физико-математических наук Андрей Сахаров. На термоядерные исследования впервые было выделено 10 млн. рублей – очень большая по тем временам сумма.

Штурм термоядерной крепости начался. Современный токамак создавался шаг за шагом. По мере понимания физики происходящих процессов появлялись новые идеи, новые комбинации. Шло соревнование различных подходов к разгадке термоядерной проблемы. Строились стеллараторы разных типов (замкнутые ловушки), открытые ловушки, мультиполи, пинчи.

В 1960 году под руководством Натана Явлинского был построен «токамак-3» (исторический, по мнению ученых). На нем начались первые физические эксперименты. Со временем такие установки стали основным направлением в исследованиях по УТС во всех передовых странах, самые крупные из них – ТФТР (США), ДЖЕТ (ЕС), «Джити-60» (Япония), «Токамак-15» (Россия).

4.3.Токамак.

Токамак – тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем. Особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для равновесия плазмы. Этим он отличается от стелларатора, в котором и тороидальное и полоидальное поле создается с помощью магнитных катушек.

Термин «токамак» был введён русскими физиками Игорем Евгеньевичем Таммом и Андреем Дмитриевичем Сахаровым в 50х годах как сокращение фразы «тороидальная камера с магнитными катушками». Первый токамак был разработан под руководством академика Л. А. Арцимовича в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова в Москве и продемонстрирован в 1968 в Новосибирске.

В настоящее время токамак считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Он представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания (тороидального) магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем, с помощью индуктора, в камере создают вихревое электрическое поле.

Магнитное поле сжимает протекающий  через плазму ток. В результате образуется конфигурация, в которой винтовые магнитные силовые линии «обвивают» плазменный шнур. При этом шаг при  вращении в тороидальном направлении не совпадает с шагом в полоидальном направлении. Магнитные линии оказываются незамкнутыми, они бесконечно много раз закручиваются вокруг тора, образуя т. н. «магнитные поверхности» тороидальной формы.

 Одной из важных  проблем токамака является обеспечение чистоты плазмы, так как попадающие в плазму примеси прекращают реакцию. Попадают они в плазму со стенок камеры, так как запускаемые в объем рабочие вещества можно очистить, а стенка камеры работает в таких условиях, что проблема – из чего и как ее сделать – получила собственное название: «проблема первой стенки». Все, что выходит из плазмы (нейтроны, протоны, ионы и электромагнитное излучение в диапазоне от инфракрасного до гамма-лучей), разрушает стенку, продукты разрушения попадают в плазму. Проблема стойкости и проблема «не вредности» решаются в противоположных направлениях, т.к. чем тяжелее ион, тем он вреднее (допустимая концентрация тантала и вольфрама в сто раз меньше, чем углерода), а большинство стойких материалов создано на основе именно тяжелых металлов. Одно время большие надежды возлагались на углеродные материалы и композиты на основе карбидов, боридов и нитридов. Рассматривались пористые и профилированные (с ребрами или иглами) стенки. И вообще, трудно сказать, что не рассматривалось, но в итоге в качестве материала стенок сейчас выбран бериллий.

4.4.Стелларатор

Стелларатор — тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Изобретен Л. Спитцером в 1951 г. Название реактора происходит от лат. stella — звезда, что должно указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звёзд.

Стелларатор — замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для удержания плазмы полностью создается внешними катушками, что, помимо прочего, позволяет использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей. Вращательное преобразование силовых линий может быть осуществлено как путём геометрической деформации тороидального соленоида (например, скручиванием его в «восьмёрку»), так и с помощью винтовых проводников, навитых на тор. Для создания такой конфигурации магнитного поля необходимо использовать катушки сложной формы, производство которых является технически сложным процессом. Вследствие этого первые модели стеллараторов давали плазму с худшими параметрами, чем токамаки.

Устройство стелларатора следующее. Вакуумный сосуд тороидальной формы (в отличие от токамака стелларатор не имеет азимутальной симметрии; магнитная поверхность имеет форму «мятого бублика») откачивается до высокого вакуума и затем заполняется смесью дейтерия и трития. Затем создается плазма и производится её нагрев. Энергия вводится в плазму при помощи электромагнитного излучения — т. н. электронного циклотронного резонанса. При достижении температур, достаточных для преодоления кулоновского отталкивания между ядрами дейтерия и трития начинаются термоядерные реакции.

Стелларатор HSX. Первая демонстрация работы принципа квазисимметрии в магнитной удерживающей системе была произведена в начале 2007 года. Необычное устройство, совмещающее в себе достоинства стеллараторов и токамаков, но без их недостатков, построили Дэвид Андерсон (David Anderson) и его коллеги из университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison). На испытаниях аппарат, потенциально способный стать термоядерным реактором, показал любопытные сочетания параметров, о чём его создатели и поведали в статье в журнале Physical Review Letters.

Новый аппарат называется "Геликоидный симметричный эксперимент" (Helically Symmetric eXperiment — HSX). Его проектирование Андерсон сотоварищи начали 17 лет назад. Теперь эта машина заработала, и её создатели полагают, что HSX — самый совершенный и перспективный стелларатор в мире.

Авторы этого небольшого чуда сообщают, что, сохранив прекрасную устойчивость плазмы, свойственную стеллараторам вообще, новый аппарат обладает значительно меньшей потерей энергии при большей электронной температуре, в сравнении со стеллараторами прежних схем. А ведь возможности конструкции не исчерпаны.

4.5.Лазерный термоядерный синтез

Рассмотрим физические принципы лазерного термоядерного синтеза  — быстро развивающегося научного направления, в основы которого легли  два выдающихся открытия ХХ столетия: термоядерные реакции и лазеры. Термоядерные реакции протекают при слиянии  ядер легких элементов. Большое энерговыделение при протекании термоядерных реакций и привлекает внимание ученых из-за возможности их практического применения в земных условиях. Так, термоядерные реакции в крупных масштабах осуществлены в водородной (или термоядерной) бомбе.

Чрезвычайно привлекательной  представляется возможность утилизации энергии, выделившейся при термоядерных реакциях для решения энергетической проблемы. Дело в том, что топливом при таком способе получения энергии является изотоп водорода дейтерий (D), запасы которого в Мировом океане практически неисчерпаемы.

Каким способом можно осуществить  термоядерную реакцию? Современные  исследователи остановились на нагревании вещества до высоких температур (порядка 100 миллионов градусов). Чем выше температура, тем выше среднекинетическая энергия частиц и тем большее их количество может преодолеть кулоновский барьер.

К настоящему времени сформировались два в значительной мере независимых  подхода к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза. Первый из них  основан на возможности удержания  и термоизоляции высокотемпературной  плазмы относительно низкой плотности (N приблизительно равно от 10 в 14 степени  до 10 в 15 степени куб. см) магнитным полем специальной конфигурации в течение сравнительно длительного времени.

Другой путь импульсный. При импульсном подходе необходимо быстро нагреть и сжать малые  порции вещества до таких температур и плотностей, при которых термоядерные реакции успевали бы эффективно протекать  за время существования ничем  не удерживаемой или, как говорят, инерциально удерживаемой плазмы. Оценки показывают, что, для того чтобы сжать вещество до плотностей 100-1000 г/куб. см и нагреть его до температуры Т приблизительно равно от 5 до 10 кэВ, необходимо создать давление на поверхности сферической мишени (Р приблизительно равно от 5 до 10 в 5 атм.).

Впервые идея использования  мощного лазерного излучения  для нагрева плотной плазмы до термоядерных температур была высказана  Н. Г. Басовым и О. Н. Крохиным в начале 60-х годов. К настоящему времени сформировалось самостоятельное направление термоядерных исследований — лазерный термоядерный синтез (ЛТС). Микросфера, наполненная термоядерным топливом, со всех сторон «равномерно» облучается многоканальным лазером. В результате взаимодействия греющего излучения с поверхностью мишени образуется горячая плазма с температурой несколько килоэлектронвольт (так называемая плазменная корона), разлетающаяся навстречу лучу лазера с характерными скоростями от 10 в 7 степени до 10 в 8 степени см/сек. В современных модельных экспериментах на уровне энергий лазерного излучения 10-100 кДж удается достичь высоких (приблизительно 90%) коэффициентов поглощения греющего излучения.

В настоящее время интенсивно разрабатывается элементная база и создаются проекты лазерных установок мегаджоульного уровня. В Ливерморской лаборатории начато создание установки на неодимовом стекле с энергией Е=1,8 МДж. Стоимость проекта составляет 2 млрд. долларов.

Для реактора на основе лазерного  термоядерного синтеза необходимо, однако, создание лазера мегоджоульного уровня, работающего с частотой повторения в несколько герц. В ряде лабораторий исследуются возможности создания таких систем на основе новых кристаллов. Запуск опытного реактора по американской программе планируется на 2025 год.

4.6.Холодный термоядерный синтез.

Под "холодным ядерным синтезом", который теперь предлагается заменить на термин "ядерные процессы, индуцированные кристаллической решеткой", понимаются аномальные с точки зрения вакуумных  ядерных столкновений, стохастические низкотемпературные ядерные процессы (слияние ядер с выделением нейтронов), существующие в неравновесных твердых  телах, которые стимулируются трансформацией упругой энергии в кристаллической  решетке при фазовых переходах, механических воздействиях, сорбции  или десорбции водорода (дейтерия).  Другими словами, это аналог «горячей» термоядерной реакции (при которой происходит слияние ядер водорода и превращения их яра гелия, с выделением колоссальной энергии), проходящий при комнатной температуре.

Холодный термоядерный синтез, точнее определять как химически  индуцированные фотоядерные реакции. И хотя прямой холодный термоядерный синтез осуществить не удалось, тем  не менее он подсказал новые стратегии. Чтобы запустить термоядерную реакцию нужно генерировать нейтроны. Идея проста: механостимулированные химические реакции приводят к возбуждению глубоколежащих электронных оболочек и рождают рентгеновское или гамма-излучение, которое захватывается ядрами (фотоядерная реакция). Далее возбужденные таким образом ядра распадаются, генерируя нейтроны (и, возможно, гамма-кванты). Основная проблема в том, чтобы механическое воздействие возбуждало внутренние электроны оболочки, поскольку только в этом случае конверсия внешних электронов на внутренние вакансии будет генерировать жесткий рентген или гамма-кванты. Ясно, что наиболее вероятно это осуществить в условиях ударной волны (при взрыве обычной взрывчатки)!

В начале мая 2007 года американским ученым, возможно, удалось найти  способ осуществления реакции холодного  термоядерного синтеза. В авторитетном журнале Naturwissenschaften была опубликована статья, в которой говорится, что американские ученые смогли осуществить ядерную реакцию низкой энергии. Исследования проводились под руководством Александра Шпака и Памелы Мосиер-Босс из Центра космических и морских военных систем (Spawar) в Сан-Диего. В ходе экспериментов ученые подвергали воздействию магнитных и электрических полей тонкий провод, покрытый палладием. Для регистрации заряженных частиц, появлявшихся в результате реакции, использовались детекторы из пластиковой пленки CR-39. В ближайшее время результаты исследований ученых должны быть проверены независимыми специалистами. Если сторонним исследователям удастся повторить эксперимент, команда Шпака и Мосиер-Босс может получить грант на дальнейшее развитие предложенной методики.