Является ли термоядерный синтез альтернативой существующим источникам энергии?

6 апреля 20236 апр 2023

6 мин

Вступление

Термоядерный реактор — это устройство, преобразующее потенциальную энергию сильного ядерного взаимодействия во внутреннюю энергию плазмы и кинетическую энергию нейтронов. Эта технология была изобретена в 1950-х годах и на сегодняшний день является одной из самых перспективных и многообещающих для создания источников энергии способных удовлетворить потребности человечества. В этой статье я расскажу о термоядерных реакторах и особенностях их устройства и принципа работы на примере ТОКАМАКа.

История

Идея использования термоядерной энергии впервые была предложена в 1920-х годах ученым-теоретиком Артуром Эддингтоном. Но для ее реализации понадобилось еще несколько десятилетий.

В 1956 году Советский Союз начал проект создания термоядерного реактора на основе ТОКАМАКа - устройства, в котором плазма нагревается и удерживается в магнитном поле. В 1968 году был построен первый ТОКАМАК "ТОКАМАК-1" в Институте ядерной энергетики им. Курчатова. С тех пор многие страны начали работать над различными моделями ТОКАМАКов, включая США, Японию, Китай, Индию и Европейский союз.

Устройство реактора и принцип работы

Термоядерный реактор на основе ТОКАМАКа состоит из нескольких основных компонентов. Первый из них — это камера, где создается плазма - сильно разогретый газ, состоящий из ионов и электронов. Для создания плазмы необходимо нагреть газ до очень высокой температуры - около 100 миллионов градусов по Цельсию. Это делается с помощью мощных электрических полей, а удерживают плазму в центре камеры и предотвращают ее контакт с стенками магнитные поля.

Далее, внутри камеры находятся полоидальные и тороидальные магнитные катушки - устройства, которые создают магнитное поле, необходимое для удерживания плазмы в камере. Эти устройства состоят из соленоидов – сверхпроводящих катушек, через которые протекает колоссальный электрический ток и создается магнитное поле. Таким образом, для удерживания плазмы в ТОКАМАКе используются магнитные поля, которые создаются с помощью управляемых магнитных катушек.

Для поддержания термоядерной реакции в камеру необходимо подавать топливо - изотопы водорода, такие как дейтерий и тритий. Когда эти изотопы находятся при высокой температуре и давлении, они обладают достаточной кинетической энергией и вероятностью столкновения, чтобы образовать ядро гелия и высвободить огромное количество энергии в виде света и кинетической энергии продукции реакции.

При этом важно, чтобы топливо подавалось в камеру дозированно, чтобы максимально эффективно использовать проходящую реакцию. Для этого используется система подачи топлива, которая позволяет подавать его в нужном количестве и в нужное время.

Преимущества термоядерных реакторов

Термоядерные реакторы на основе ТОКАМАКа имеют несколько преимуществ перед другими типами ядерных реакторов:

· Они используют в качестве топлива изотопы водорода, который можно добыть практически везде, в отличие от урана и других видов ядерного топлива.

· Термоядерные реакторы не производят высокоактивных отходов, которые являются проблемой для обычных ядерных реакторов.

· Процесс термоядерной реакции намного безопаснее, чем процесс деления ядер в обычных ядерных реакторах.

· Термоядерные реакторы имеют большой потенциал для производства большого количества энергии и могут стать одним из главных источников энергии в будущем.

Современное положение дел

В настоящее время существует несколько работающих термоядерных реакторов на основе ТОКАМАК-технологии. Один из наиболее известных и перспективных проектов — это международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (International ThermonuclearExperimental Reactor). ITER строится в южной части Франции, вблизи города Кадараш. Это совместный проект, в который включены 35 стран, включая Россию, Китай, США, Японию и страны Европейского союза. ITER будет самым мощным термоядерным реактором в мире, способным генерировать до 500 мегаватт энергии. Он будет использовать дейтерий и тритий в качестве топлива, а не существующий в природе изотоп водорода, что было бы более привлекательным вариантом, но такое топливо еще не изучено в достаточной мере. Кроме того, ITER будет испытывать материалы, которые могут выдерживать высокую температуру и другие условия в реакторе.

Ожидается, что ITER начнет первый термоядерный синтез в 2035 году (+-20 лет). Это станет важным моментом в истории термоядерной энергетики и может привести к дальнейшему развитию этой технологии. В настоящее время инженеры и ученые по всему миру продолжают работать над улучшением конструкции термоядерных реакторов и нахождением новых способов применения термоядерной энергии.

Заключение

Термоядерный реактор на основе ТОКАМАК-технологии — это один из самых перспективных способов генерации энергии в будущем. Несмотря на все трудности, связанные с построением и эксплуатацией реакторов, многие страны и частные инвесторы продолжают вкладывать ресурсы, время и деньги в исследования и разработку технологий в этой области. Большинство ученых и инженеров считают, что термоядерная энергия имеет огромный потенциал для решения энергетических проблем человечества, и поэтому необходимо продолжать улучшать и развивать эту технологию.

Термоядерная энергия обладает рядом преимуществ перед другими видами энергии, в том числе возобновляемыми и нефтяными ресурсами. Она не производит углекислый газ и другие вредные выбросы, и, как предполагается, может быть более эффективной и дешевой в производстве энергии, чем существующие методы.

Однако, прежде чем термоядерная энергия станет основным источником энергии, еще необходимо решить множество технических, научных и экономических проблем, связанных с проектированием, строительством, эксплуатацией и утилизацией реакторов.

Несмотря на все эти сложности, международное сообщество продолжает сотрудничать и инвестировать в развитие термоядерной энергетики. Мы можем надеяться, что в будущем термоядерная энергия станет одним из ключевых источников энергии человечества, что приведет к более устойчивому, экологически чистому и безопасному будущему для всех нас.

Большая благодарность выражается соавтору, учителю физики во втором поколении, франту, бретёру, дуэлянту и научному руководителю Виктору Шайеру!

Источники:

● https://uk.linkedin.com/in/joe-milnes-860908179

● https://atomicexpert.com/era_of_fusion

● https://www.weforum.org/agenda/2022/02/nuclear-fusion-science-explained/

● Воронов Г.С. “Штурм термоядерной крепости”, CCCP: из цикла “библиотечка “Квант”

● https://www.iter.org/proj/inafewlines

● https://ccfe.ukaea.uk/research/joint-european-torus/

● https://www.plasmatreat.de/plasmatechnologie/was_ist_plasma.html

● https://www.chemie.de/lexikon/Hochtemperatursupraleiter.html

● http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e164.htm

● Статья про токамаки в журнале «Вокруг света»