В Инженерном подкасте мы узнали об основных процессах термоядерного синтеза, делимся с нашими читателями!
Начнем с чего-то знакомого всем: Солнца.
С точки зрения термоядерного синтеза Солнце представляет собой естественный термоядерный реактор с гравитационным удержанием плазмы. Сразу развеем миф: на поверхности звезды термоядерные реакции не могут протекать из-за недостаточно высокой температуры, а вот глубоко внутри, где температура достаточно высокая, непрерывно идут термоядерные реакции, за счёт которых оно и греется.
Как и у всех звезд у Солнца черная поверхность и излучает оно как абсолютное черное тело при 5500 К. Абсолютно черным телом в данном случае называют тело, которое поглощает любое падающее на него излучение, а при термодинамическом равновесии с окружающей средой еще и излучает. Но вернемся к главному: Солнце – это успешный пример работы термоядерного синтеза.
Как должен выглядеть термоядерный реактор, созданный человеком?
Если мы говорим об уже существующем и успешном проведении термоядерной реакции человечеством в целом, то это различные термоядерные бомбы. Но использовать их для производства энергии несколько проблематично. Поэтому если конкретизировать вопрос до эффективного производства энергии, то это уже будут не бомбы, а физические установки. Наиболее прогрессивными среди них выделяют установки типа токамак – тороидальная камера с магнитными катушками. Они являются подвидом систем с магнитным удержанием плазмы, другими словами, плазма удерживается магнитным полем в конфигурации такого типа.
Из чего состоит простейшая модель гипотетического термоядерного реактора?
Простейший термоядерный реактор представляет собой ускоритель, в котором две частицы разгоняются до высоких энергий и сталкиваются, что приводит к возникновению термоядерной реакции. Эффективность такого процесса крайне мала, поэтому к теоретической модели подключается инженерия. Необходим большой объем вещества, в котором идут термоядерные реакции – «кусочек Солнца», причем в лабораторном термоядерном реакторе содержится 1000 таких звезд, потому что температура Солнца гораздо ниже, чем температура вещества в реакторе. И если Солнце вокруг себя ничего не имеет и никому не мешает, то на Земле оно сожжет все вокруг. Поэтому надо удерживать это вещество, его и принято называть плазмой. Плазма — это одно из четырех агрегатных состояний вещества, в котором оно существует в форме ионизированного газа.
Существует три вида удержания плазмы: инерциальное, магнитное и гравитационное. Их характеризуют несколькими параметрами: плотностью вещества, температурой и временем удержания. При инерциальном удержании плазма имеет высокую плотность и температуру, но малое время удержания. Его можно встретить в термоядерных бомбах или в лазерном термоядерном синтезе. При магнитном удержании как в токамаке плотность низкая, температура высокая и время удержания сравнительно долгое. При гравитационном удержании, оно наблюдается в звездах, время удержания очень большое, средняя плотность и низкая температуры относительно остальных случаев.
Если вещество нагреть до определённой температуры, то его атомы начинают сталкиваться друг с другом с энергиями, достаточными для возникновения термоядерной реакции. Одним из условий протекания таких реакций непосредственно является комбинация плотности этого вещества и его температуры. На Земле проще воспроизвести это в веществе с меньшей плотностью: в разряженном газе, который нагрели до достаточно большой температуры. В нём атомы начинают сталкиваться друг с другом с необходимой скоростью для термоядерных реакций. Простыми словами, нужно поджечь вещество: нагреть его до такой температуры, что пойдут термоядерные реакции. В терминах температуры это сумасшедшие цифры: десятки, сотни миллионов градусов, которые сложно воспринять. Поэтому чаще физики используют для количественной оценки энергии частиц.
Подводя итог, вещество должно быть очень большой температуры и при соприкосновении с ним будут неприятности. Поэтому сверхгорячую плазму надо дистанционно запереть и удержать. Для этого подходят электрические и магнитные поля. В основном одни из самых прогрессивных и распространённых стали реакторы на магнитном удержании, в их числе и токамаки.
Что такое время удержания плазмы?
Это эмпирический параметр, который вводят, чтобы охарактеризовать время выхода энергии из плазмы. Для понимания, если набрать пригоршню песка в руку, то пока его держат, он потихоньку из ладошки высыпается. Характерное время, за которое половина песка высыпется, и будет аналогом времени удержания.
Плазма, которая удерживается, например, магнитном поле, утекает за счет того, что есть столкновение частиц, неустойчивости, они приводят к потерям плазмы из этого объёма. Соответственно, ушедшая из объема плазма рано или поздно непременно попадет на стенки, которые в лабораторных условиях необходимы для поддержания вакуума. При контакте со стенками часть плазмы считается «потерянной», причем вместе с той энергией, которая была в ней заключена. Отношение такой энергии к общей, содержащейся в плазменном объёме, определяет, за какое характерное время плазменные выбросы будут охлаждать центральный удерживаемый плазменный объект. Поэтому с точки зрения работы установки время удержания плазмы – это очень удобный эмпирический параметр, который позволяет охарактеризовать время, за которое остынет плазма, если не предпринимать ничего дополнительного.
Довольно часто можно слышать, что кто-то смог удержать плазму в течение какого-то очень маленького для простого обывателя промежутка времени: секунды или минуты. Важно отметить, что по одному времени сложно сделать вывод об успешности эксперимента, необходимо учитывать и температуру. Только зная комбинацию значений температуры и времени, можно оценить качество работы установки и дальнейшую интеграции ее в промышленность.
Какова роль трития в термоядерном реакторе?
На самом деле не все элементы могут участвовать в термоядерных реакциях. Если в ядерных реакциях распадаются тяжёлые элементы, то в термоядерных сливаются легкие. Самый лёгкий элемент во вселенной – водород, при слиянии его ядер выделяется больше всего энергии. На Солнце как раз в реакции участвует именно водород – один протон. У водорода также есть изотопы. Изотопами называют вещества с одинаковым количеством протонов, но разным количеством нейтронов. Стабильный изотоп дейтерий представляет собой протон с одним нейтроном, а нестабильный изотоп тритий – протон и два нейтрона. У него период полураспада 12 лет, поэтому если он где-то и образуется в природе случайно, то довольно быстро распадается. Из энергетических соображений проще всего осуществить термоядерную реакцию между дейтерием и тритием.
Дейтерий можно запросто добыть из атмосферы, воды, тритий можно наработать в традиционном ядерном реакторе, он уже производится в мире. Оба компонента есть и используются в существующих токамаках, но просто без положительного выхода энергии. И если сейчас тритий нарабатывается с применением атомных реакторов, то, когда у нас заработают термоядерные реакторы, тритий мы будем нарабатывать непосредственно в них, реализуя замкнутый цикл.
Читайте другие статьи, по этой теме. Подписывайтесь, чтобы не пропустить продолжение!
Следите за нами в Телеграмме, ВКонтакте, на официальном сайте.
#инженерный_подкаст
#все_ответы_в_науке_МИФИ
#десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
