Личные инструменты
В других энциклопедиях

Термоядерный синтез

Материал из Lurkmore

Перейти к: навигация, поиск
В эту статью нужно добавить как можно больше фотографий и схем порнухи для нердов.
Также сюда можно добавить интересные факты, картинки и прочие кошерные вещи.
Термоядерная плазма.

Термоядерный синтез (термояд, управляемый термоядерный синтез, УТС) — старый, но всё ещё действующий, метод распила бюджетного бабла в глобальных масштабах, способный дать в качестве побочного результата источник сотен энергии, звездолёты и прочие кошерные вещи.

Для сомневающихся следует заметить, что действующий прототип этой чудо-машины наглядно представлен в виде Солнца (давно уже на серийном производстве, см. небо(ночью)).

Содержание

[править] Суть™

Непросвещённым — сюда.

Коротко о главном. Давным-давно Эйнштейн распространил ныне известное даже детям E=mc² на все объекты (в том числе движущиеся с околосветовой скоростью, безо всяких эфиров и электродинамик). В то же время учёные поняли, что два ядра атома дейтерия ²H (это тяжелый изотоп водорода) неспроста весят чуть более, чем одно ядро гелия-4 4He. Более того, при синтезе этого самого гелия из водорода энергия связи Δm×c², где Δm — дефект массы, с радостью улетает в виде кинетической энергии продуктов синтеза.

В принципе, вариантов синтеза на самом деле чуть более, чем дохрена. Можно использовать и дейтерий, и литий, и тритий, и хуитий — да хоть что! Вот только: 1) для синтеза более тяжёлых элементов нужна большая температура; 2) при синтезе элементов тяжелее железа энергия уже поглощается. Поэтому выбор, тащемта, невелик: либо использовать дейтерий из воды (которой очень много, пока ещё) и нагревать его до миллиарда кельвинов, либо синтезировать сверхтяжёлый изотоп водорода из лёгкого изотопа лития (тут градус будет на порядок ниже, но и нейтронное излучение сильнее). Как нетрудно догадаться, люди в белых халатах и очках выбрали второй способ.

Не будем вдаваться в технические, матановые и проектировочные подробности. Достаточно подсчитать, что один грамм дейтерий-литиевого «топлива» (0,25 г дейтерия + 0,75 г лития-6) позволяют получить немногим больше энергии, чем три с половиной тонны бензина. Этого уже достаточно, чтобы финансировать работу сумрачных гениев по реализации данной затеи IRL.

[править] При чём здесь бабло?

Международный экспериментальный проект по распилу бабла.

Получать из реакции D+6Li много энергии научились ещё более полувека назад. И уже тогда начали вести полномасштабные исследования возможности мирного применения этой энергии. Причём полагали, что первые экспериментальные термоядерные электростанции начнут строить чуть ли не сразу после появления первых промышленных атомных электростанций. Но даже несмотря на то что дедлайн установил лично товарищ Сталин, они не появились до сих пор.

Термоядерные исследования — это в значительной степени экспериментальная наука. Тут вам не Перельман, с тремя копейками денег ничего толкового не сделаешь. Необходимо сложное дорогостоящее оборудование и куча негров нердов, которые будут это оборудование обслуживать. На всё это нужно выделять большие деньги. И, как ни странно, они таки выделяются. А когда любое правительство выделяет на что-то деньги, они неизбежно идут не только на те аспекты, которые реально важны, но и на те, что лучше прорекламированы[1]. Даже те научные организации, которые действительно хотят сделать что-то полезное, нередко вынуждены заниматься чем-то скорее «модным», чем реально важным, так как иначе денег не получат.

Справедливости ради стоит отметить, что расходы на термояд выглядят огромными только до тех пор, пока не сравнишь их со всякими нанотехнологиями и другими радостями распильщиков.

[править] Зачем это вообще нужно?

Как известно, нефти, угля и газа хватит не так уж и надолго. Да ещё и экологи недовольны. Урана и тория вроде хватает, но народ чего-то боится. Да и неясно, куда столько радиоактивных отходов девать[2].

Термояд же позволяет в перспективе получать энергию буквально из воды, причём отходами его работы будут являться только обычные безвредные водород и гелий. Внутри реактора будет радиоактивный тритий, но его будет сотни грамм, в противовес сотне тонн полуотработанного топлива в обычных ядерных реакторах, так что ничего подобного Чернобылю не может произойти даже если термоядерный реактор взорвётся. Но его взрыв возможен разве что в случае теракта, так как реакция там в принципе самопроизвольно развиваться не умеет.

[править] Почему не получается?

Чтобы произошла реакция синтеза, два ядра должны сблизится на очень близкое расстояние. Но ядра имеют положительный заряд, а потому отталкиваются друг от друга. Чтобы их сблизить друг с другом, их нужно разогнать до огромных скоростей. Одним из основных вариантов такого разгона является нагрев до высокой температуры. Конкретнее нужна температура порядка ста миллионов Кельвинов. А при таких температурах вещество становится плазмой и очень интенсивно излучает энергию, то есть быстро остывает.

ВНЕЗАПНО оказалось, что реальные потери энергии куда больше, чем показывали первые теоретические расчёты, и вообще плазма ведёт себя крайне невоспитанно, не слушается учёных, так что достаточное количество топлива прореагировать не успевает. Уменьшить же потери или увеличить скорость реакции оказалось не так-то просто. Причём зачастую требования друг другу противоречат: чтобы за то же время прореагировало больше топлива его концентрацию нужно повышать, но при повышении концентрации возрастают потери энергии, а оттого время уменьшается.

Это хорошо бы знать, но всем, как всегда, похуй: 

Чисто теоретически, сколь бы мала ни была доля прореагировавшего топлива, это всё равно положительный выход энергии. Пусть мы тратим на нагрев топлива 1 МДж электричества и в результате реакции получаем 10 кДж термоядерной энергии. Всё потраченное электричество в конечном счёте переходит в нагрев установки. Вся термоядерная энергия — туда же. Таким образом установка получает 1,01 МДж тепла. Умей мы 100 % тепла превращать в электричество, термоядерные электростанции уже строили бы пачками. Но, увы, реалистично расчитывать лишь на 25-35 % КПД. Значит нам нужно чтобы на каждый МДж электричества, потраченного на нагрев, получалось хотябы 2-3 МДж термоядерной энергии чтобы реактор просто мог обеспечить энергией свой же нагрев. Учитывая, что энергия уходит не только на нагрев, а так же то, что нам нужна электростанция, а не просто самоподдерживающийся реактор, нужно уже 5-10 МДж термоядерной энергии на 1 МДж нагрева.

Каким параметром можно оценить скорость потери энергии топливом? Этот параметр называется «временем удержания». Это время, в течение которого плазма снизит свою температуру в e раз. Оно получается как отношение тепловой энергии, содержащейся в плазме, к мощности нагрева, необходимого для поддержания данной температуры.

Как уже было сказано выше, количество выделяемой в результате реакции энергии зависит от концентрации топлива. Причём зависимость линейная. Значит, отношение мощности термоядерной реакции к мощности, затрачиваемой на нагрев, при данной температуре определяется произведением концентрации[3] на время удержания. Расчёты показали, что при температуре в 10 кэВ (примерно 116 миллионов К) реактор можно будет использовать для электростанции только когда это произведение превысит 1014 см-3*с (то есть время удержание более одной секунды и концентрация плазмы более 1014 частиц в см³). Этот критерий называется критерием Лоусона. Именно за его достижение (при одновременном получении температуры более 10 кэВ) и ведут сейчас борьбу физики по всему миру. Пока лучшие реакторы не дотягивают в разы. Ну, а истинная мечта физиков — это так называемое зажигание плазмы. Это когда та доля термоядерной энергии, которая остаётся в плазме, будет достаточной для поддержания её температуры, то есть нагрев можно будет вовсе отключить. Для этого нужно, чтобы произведение концентрации на время удержание было примерно в пять раз выше, чем нужно по критерию Лоусона.

Справедливости ради стоит отметить, что бабло эти полвека тратилось не только впустую. Современные реакторы лишь в разы хуже того, что нам нужно, а ещё несколько десятков лет назад отставание было на порядки. Так что, если финансирование не прекратится, термоядерные электростанции всё-таки построены будут. Лет через пятьдесят.

[править] Пути получения энергии

На данный момент самыми перспективными признаны два подхода к получению термоядерной энергии: долгое время удерживать магнитным полем разряженную плазму и сжать плазму до такой огромной плотности, что реакция успевает пойти несмотря на то, что от разлёта плазму удерживает лишь инерция.

[править] Магнитное удержание

Сферический токамак с вакуумом в естественной среде обитания.

Первый вариант осуществляется с помощью двух типов установок: токамаки и стеллараторы. На данный момент отличия между ними сводятся к тому, что первые чуть дешевле при тех же размерах, а вторые — чуть лучше. Для неискушённого наблюдателя и то и другое — бублик с каким-то хитроумным магнитным полем внутри (впрочем, последние разработки в области стеллараторов предполагают настолько хитрую форму магнитных катушек и вакуумной камеры, что даже школьник это с токамаком не спутает). Так как чем больше размер реактора — тем лучше (и Фрейд тут ни при чём) в нём удерживается плазма, вопрос строить ли на эти деньги токамак, но побольше, или стелларатор, но поменьше, остаётся открытым. Но чаще выбирают первый вариант (не исключено, что это уже связано с Фрейдом напрямую: чем больше то, что ты обещаешь построить на эти деньги, тем вероятнее, что их тебе выделят). Подробнее в соответствующих статьях Википедии: w:Токамак, w:Стелларатор.

[править] Инерциальное удержание

Единственный работающий на практике вариант. Осталась одна «мелочь»: сделать масштабы достаточно малыми для применения в мирной энергетике. А тут, как и в случае магнитного удержания, чем больше, тем проще получить реакцию.

Первоначальная идея заключалась в том, чтобы со всех сторон жахнуть по маленькому шарику дейтерий-тритиевого льда кучей лучей лазеров, пучков электронов или ионов. Но идея провалилась: сжатие происходило неравномерно, а оттого никакой нормальной реакции не получалось. Позже разработали несколько изменённый метод: шарик льда помещают внутрь небольшой металлической сферы с несколькими дырочками для прохода лучей/пучков, лучи/пучки нагревают внутреннюю поверхность сферы до большой температуры и она начинает светить мягким рентгеном, это рентгеновское излучение очень равномерно нагревает поверхность ледяного шарика, та испаряется и реактивной силой равномерно сжимает оставшийся лёд (кстати, это куда ближе к термоядерной бомбе, чем исходная идея). Сейчас к этому ещё добавилась идея использовать не один импульс, а два (fast ignition/быстрое зажигание): один относительно медленно сжимает количество топлива, а второй быстро разогревает малую часть от уже сжатого, потом термоядерная реакция сама распространяется на остальное топливо. Дополнительно можно посмотреть Википедию.

[править] Фузор Фарнсворта

Если тебе, анон, так уж приспичило осуществить термоядерный синтез и при этом не нужна энергия, то строить мега-реактор совсем не обязательно. Достаточно сабжа — небольшого устройства, позволяющего невозбранно запилить термоядерную реакцию у себя на столе. Единственный минус — энергию фузор Фарнсворта не вырабатывает а, напротив, жрет и нехило.

[править] Холодный синтез и прочее

Эпическое сборище шарлатанов. Причём если одни из них только предлагают свои перспективные «пути решения», то другие и вовсе предлагают готовые решения, реализованные «в железе».

Среди всего этого многочисленного бреда изредка, но таки встречаются нормальные разработки. В частности мюонный катализ, использование встречных пучков быстрых ионов дейтерия и трития и т. д. Но все они пока крайне далеки от получения полезной энергии и на практике могут использоваться (и используются) только в качестве источников быстрых нейтронов.

[править] Гибридный термоядерный реактор

Известно, что в термоядерных бомбах часто используют оболочку из обеднённого урана для существенного повышения мощности взрыва: нейтроны D-T реакции обладают столь высокой энергией, что вызывают деление даже «неделящихся» тяжёлых изотопов. Разумеется, быстро возникла идея применить этот же принцип и в мирных реакторах.

Чем это хорошо:

  • к созданию гибридной электростанции можно приступать хоть завтра, так как применение обеднённого урана в 5-10 раз повысит энерговыделение;
  • тысячи тонн обеднённого урана наконец-то найдут себе полезное применение (пока что их тупо пуляют из танковых пушек в виде обычных болванок);
  • в интенсивных потоках быстрых нейтронов многие долгоживущие изотопы превращаются в короткоживущие, что позволяет перерабатывать отходы обычных атомных реакторов
  • в таких реакторах можно производить много чистого и дешёвого урана-233 и плутония-239 для обычных реакторов деления (и атомных бомб).

Чем это плохо:

  • в таком реакторе сотни тонн радиоактивных веществ, а значит можно ожидать море лулзов. Хотя здесь, в отличие от реакторов деления, их можно получить только при мощном внешнем воздействии, неконтролируемое развитие реакции тут невозможно;
  • в таком реакторе не только перерабатываются, но и производятся радиоактивные отходы, которые куда-то нужно девать(впрочем, в основном короткоживущие - в отличие от реакторов деления);
  • в таких реакторах можно производить много чистого и дешёвого урана-233 и плутония-239 для атомных бомб (стоит отметить, что то же самое происходит и в ядерных реакторах на быстрых нейтронах. А еще тот самый 239Pu скорей всего будут использовать, как топливо в реакторах, поскольку реакторы БН умеют делать его из бесполезного урана-238 в огромных количествах (а точнее — с коэффициентом выхода 1,4 — 1,5)).

[править] Лулз

Физики-теоретики до сих пор срут кирпичами, а Мёрфи собирает шаблон от H-моды установок с магнитным удержанием. Так, при достижении определённой мощности дополнительного нагрева плазмы в токамаках (а впоследствии этого добились и в стеллараторах) резко замедляется перенос, а значит и потери энергии в плазме. Сами представьте: вы долго всё разрабатывали, рассчитывали, построили токамак, а он внезапно работает вдвое лучше, чем предполагалось!

Теоретики напридумывали кучу гипотез, как объяснить появление H-моды и полное несоответствие экспериментальных формул классическим теоретическим даже по знаку производной, но единой чёткой модели так и нету. Экспериментаторы же просто разобрались как оно работает и стали напоминать шаманов не меньше, чем админы: точно так же не могут объяснить, как оно работает, но оно таки работает.

Любители поискать глубинный смысл и религиозные люди могут считать, что это знак от Б-га, что мы двигаемся в нужном направлении или современная манна небесная от него же.

Также это позволят оптимистам рассчитывать на открытие в будущем какой-нибудь UH-моды и появление термоядерных электростанций куда быстрее современных прогнозов. Ну или пессимистам — ожидать появления какой-нибудь обратной моды, которая сделает ситуацию ещё хуже, чем было до открытия H-моды.

[править] Примечания

  1. ↑ Например, вполне обыденным является доклад результатов в стиле «мы достигли x до n1, y до n2 и z до n3, что выше, чем у всех остальных», при этом не указав, что это всё получено не одновременно, x = n1 получено при y и z в полной жопе и т. д.
  2. ↑ Хотя это пока. Пока что их не научились толково использовать. Дело в том, что в осколках деления непрерывно образуется из свинца золото в стопицот раз дороже элементы типа цезия, рубидия и всяко-разного. Так что, быть может, лет через 30-50 эти «отходы» (только называться они уже будут как-нибудь иначе) будут стоить подороже нефти или урановой руды. Поживем — увидим.
  3. ↑ Для нас важна концентрация дейтерия и трития, но, если не указано иного, в физике плазмы принято говорить о концентрации электронов. В случае термоядерной плазмы она приблизительно равна сумме концентраций дейтерия и трития.


Источник — «http://lurkmore.ru/Термоядерный_синтез»