солнышко в руках
#управляемый_термоядерный_синтез #термояд #стелларатор #wendelstein7X #w7x #перспективы #z_пинч #шаровая_молния
решил я все таки написать отдельную заметку посвященную «термояду». темы термоядерной энергетики я тут касался, но я думаю стоит написать более подробную заметку об этой модной теме. хотя кроме моды по сути там мало что есть, если не считать лучшее теоретическое и технологическое освоение данной области.
что самое ценное есть у человечества? золото, бриллианты или эквивалент всему доллар? точно нет. ну тогда может быть симпатичные и улыбчивые девушки? девчонки это конечно здорово, но тоже нет. самое ценное что есть у человечества это энергия. именно мечта об чистом, практически неисчерпаемом источнике энергии и побудила человечество заняться «термоядом».
о термоядерной энергетике говорят примерно с середины прошлого века и каждый раз кажется, что вот еще немного буквально еще пара десятков лет и все получится. даже появилась шутка до термоядерной энергетики 20 лет и всегда будет 20.
но на в самом деле успехи есть. сейчас физики научились «поджигать» плазму т.е. достигать условий при которых начинается термоядерная реакция. на этом пути было преодолено немало как чисто научных фундаментальных проблем так и чисто технологических.
для начала надо немного понимать физику. ничего страшного - в квантовою теорию поля лезть не обязательно, но кое-что придется вспомнить.
первое что надо вспомнить это саму известную формулу в физике - эта формула эквивалентности массы и энергии. которая говорит, что тело обладающее массой, даже находящееся в состоянии покоя вне каких-либо полей и имеющее температуру, равную абсолютному нулю, всё равно обладает энергией. эту энергию легко посчитать умножив массу на квадрат скорости света в вакууме.
если масса некоторых компонентов реакции оказалась больше чем её продукт, то вся эта не достающая масса выделится в виде энергии (кинетической энергии движения частиц), которую легко рассчитать по самой известной формуле.
этот эффект принято называть дефектом массы или для связанной системы это называют энергией связи. все вокруг нас по сути связанные состояния, даже если вы спалите килограмм спирта, то все равно будет действовать этот эффект. другое дело, что изменение массы, связанное с этим эффектом крайне мало и рассуждать о нем не принято. обычно говорят о молекулах, атомах и в данном случае экзотермической реакции.
но то химия, а у нас физика. реакции у нас ядерные. т.е. были ядра одних элементов, а стали частицами и (или) ядрами других элементов. бывает кстати и так, что после реакции вообще ничего не остается - вся масса переходит в чистую энергию - аннигиляция. вернее на выходе получаются фотоны, которые безмассывые и сразу куда-то улетают.
энергия ядерного взаимодействия (сильное взаимодействие) значительно больше энергии химической связи и эффект становится ощутимым - несколько долей процента от массы системы. реакции объединения легких ядер в более тяжелые называют реакциями синтеза или термоядерными.
откуда в принципе взялся этот дефект массы? ядра это довольно сложные объекты. ядро состоит из протонов и нейтронов. те в свою очередь из кварков. все это держится на сильном взаимодействии. вообще говоря делить что-то в ядре на протоны и нейтроны не совсем правильно, а протоны и нейтроны это не маленькие шарики, но это исторически сложившиеся аналогия, что ядро напоминает по форме малину т.е. состоит из маленьких шариков.
для нас важно то, что «склеивать» систему большого ядра энергии нужно меньше, чем для маленьких ядер по отдельности. если провести аналогию это примерно как две маленькие капли ртути сливаются в одну большую. энергия поверхностного натяжения одной капли меньше чем двух по отдельности.
это справедливо до определенного момента - Рубикон который нельзя перейти - железо, я имею ввиду возрастание номера элемента согласно периодическому закону. ну раз мы уже знаем, что масса и энергия понятия эквивалентные... было бы странно если бы энергии нужно было бы меньше, а весило бы это больше. так что дефект массы логичный эффект.
для очень тяжелых ядер эффект противоположный. ядра разваливаются на более легкие составляющие с выделением энергии. этот эффект используется в традиционной ядерной энергетике и атомном оружии. там ядра изотопов тяжелых металлов разваливаются при поглощении продуктов деления ядер предыдущего акта деления - цепная реакция.
как известно ядра заряжены положительно и для того чтобы реакция синтеза произошла нужно преодолеть силу отталкивания(кулоновский барьер). чтобы этот барьер преодолеть у ядер должна быть большая кинетическая энергия. кинетическую энергию движущихся ядер можно представить в виде температуры, эту взаимосвязь нагревания вещества и ядерной реакции и отражает термин «термоядерная реакция»
где происходят такие реакции в природе? как не странно этот тип реакции довольно распространен. течет он преимущественно в звездах, например в нашем Солнце. наше Солнце - звезда главной последовательности т.е. на Солнце идет реакция синтеза гелия из водорода.
т.е. управляемая термоядерная реакция это такая попытка зажечь маленькое Солнце на Земле. я хочу подчеркнуть слово управляемая, потому что неуправляемая реакция осуществлена довольно давно в сугубо военных целях в термоядерной бомбе.
для понимания процесса чуть-чуть квантовой механики. конкретно интересует туннельный эффект. суть его довольно проста. есть не нулевая вероятность прохождения частицей потенциального барьера, хотя при этом у частицы недостаточно для этого энергии. эффект чисто квантовомеханический. т.е. в нашем макроскопическом мире пуля из детского пистолета не может пройти сквозь кирпичную стену.
воспроизвести на Земле такие же реакции как на Солнце скорей всего не получится. Солнце очень большое, давление внутри ядра Солнца колоссальное, в какой-то момент ядра компонентов реакции сближаются настолько близко, что вероятность туннелирования ядер через потенциальный барьер кулоновского отталкивания становится достаточно большой и при относительно не высокой температуре. вероятность туннелирования небольшая, но за счет огромной плотности, столкновения происходят часто, реакция происходит достаточно часто и энергии в единице объема выделяется достаточно.
когда начинается выделение энергии - система сама себя уравновешивает. чем больше сила сжатия тем больше вероятность реакции синтеза, тем больше выделяется энергии, которая препятствует сжатию. и звезда (Солнце) находится в состоянии равновесия между силами гравитации которые хотят звезду сжать и энергией реакций синтеза которые наоборот хотят звезду раздуть. чтобы использовать тот же принцип на Земле придется строить реактор соизмеримых с Солнцем размеров.
это означает что для реактора приемлемых размеров и относительно не высокого давления реакции должны идти при более высоких температурах. т.е. необходимо увеличить кинетическую энергию ядер участников реакции так, чтобы у как можно большего числа ядер была «правильная» кинетическая энергия для осуществления реакции. есть довольно простой способ оценки будет ли термоядерный реактор источником энергии - критерий Лоусена.
реакция, проходящая при наиболее низкой температуре - дейтерий + тритий с образованием ядра гелия и высокоэнергетического нейтрона. т.е. почти вся энергия уносится нейтроном. по этому сейчас модно говорить о без нейтронных реакциях, которые кроме всего прочего не вызывают наведенной радиоактивности в конструкции реактора. но даже реакция ядер дейтерия и трития идет при довольно высокой температуре - раз в 10 выше чем на Солнце в абсолютных цифрах это где-то 1.5*10^8 K.
почему имено детерий и тритий? ну как было сказано выше нужно преодолеть кулоновский барьер. дейтерий и тритий изотопы водорода - т.е. заряд ядра минимален т.е. минимальная сила отталкивания т.е. нужна минимальная кинетическая энергия ядер для реакции синтеза т.е. наименьшая температура.
т.е. как видно, даже самая простая реакция идет при жутких температурах. не один материал такую температуру не выдерживает поэтому, вещество вступающее в реакцию, подвешивают на магнитных полях вакууме. да и само вещество, которое вступает в реакцию меняет свое агрегатное состояние и называется плазма.
обычно под словом плазма понимают ионизированный газ. т.е. состояние при котором атомы частично или полностью теряют электроны. иногда говорят 4-е состояние вещества. как ни странно это самое распространенное состояние вещества во Вселенной. в таком состоянии вещество находится например в звездах или на Земле, например, в электрической дуге или пламени. понятно, что нас интересует высокотемпературная плазма, где ядра вещества полностью лишены электронов.
почему плазму можно в принципе подвесить в магнитном поле. как я сказал плазма представляет из себя набор частиц: ядер и электронов. вместе это месиво нейтрально. потому что для его создания послужили нейтральные атомы, у которых заряд ядра атома скомпенсирован необходимым количеством электронов. но сами частицы составляющие плазму заряжены.
как известно на заряженную частицу двигающуюся в магнитном поле со стороны поля будет действовать сила. эта сила называется силой Лоренца. как говорится эта сила со школы должна быть знакома не только лишь всем. идея такая: создать такую конфигурацию магнитного поля, чтобы плазма стабильно находилась в определенном месте. говорят магнитное удержание плазмы.
устройство осуществляющие задачу магнитного удержания плазмы называется магнитная ловушка. кроме того существует инерционный метод удержания плазмы, электростатический метод, но я не буду на них останавливаться т.к. методы магнитного удержания больше отработаны. единственное замечу, что термоядерный реактор с использованием электростатического удержания легко собрать в гараже своими руками называется такая установка фузор. еще я помню писал как можно усовершенствовать установку.
по способу удержания магнитные ловушки делятся на открытые: установка типа пробкотрон и замкнутые: например токамаки и стеллараторы. до недавнего времени считалось, что открытые ловушки не перспективны, а наиболее «правильной» ловушкой считался токамак.
я считаю по-другому самой «правильной» ловушкой я считаю стелларатор, не смотря на то, что строящийся международный экспериментальный термоядерной реактор (ITER) - это токамак. в России вообще принято говорить про токамаки, ведь придуманы они были в Советском Союзе. но я отталкиваюсь от чисто технических соображений. считайте, что современный стелларатор это такой пропатченный токамак, правда пропатчили его не у нас. вернее как в Советском Союзе тоже велись работы в этом направлении - вспомним установку «Ураган», но как-то больше у всех на слуху токамаки.
токамаки тоже появились не сразу - первые установки основывались на пинч-эффекте. они требовали большого тока в плазме и плазма вела себя нестабильно. в плазме образовывался слом. странно, что это удивило - обычная молния тоже не прямая. однако несмотря на некоторый прогресс в пинч установках, (стабилизированный пинч) перспективной установкой стал токамак. и тогда конечно это был шаг в перед, но сейчас и токамаку пора на покой.
главное отличие стелларатора от токамака это, что стелларатор может осуществлять реакцию непрерывно, а токамак лишь импульсом. это принципиально, определяется методом создания нужной конфигурации магнитного поля. впрочем со стелларатром тоже не все гладко - он имеет сложную форму вакуумной камеры и катушек, потери тела там больше.
стелларатор схема
существующие стеллараторы появились не сразу у них был предшественник - торсатрон. тот же упомянутый мной «Ураган» - это торсатрон. те, в свою очередь, тоже имели предшественника - установка походила на восьмерку. современный сталларатор это продукт компьютерного моделирования. прочем сложно себе представить, что такую сложную форму катушек можно посчитать на бумажке.
наиболее известный сталларатор - немецкий Wendelstein 7-X установке принадлежат много «правильных» рекордов. но до промышленных установок все равно очень далеко. «правильными» рекордами я считаю плотность плазмы и время удержания. скажем ITER имеет рекордные размеры, но не могу сказать что такой подход правильный. по мне как лучше сравнительно маленькая установка, но с большой плотностью плазмы.
ну что же я все это писал, писал, кстати обошел внимание основные проблемы с которыми сталкивались чтобы хотя бы тот же «вендельштайн» смог довести плазму до условий при которых начнется термоядерная реакция. поверьте проблем было не мало. большинство кстати были решены в токамаках. например в Советском союзе было принято присваивать номер установке - например «токамак 10». цифра отражала поколение установки. в каждом поколении решались те или иные проблемы стоящее на пути осуществления термоядерного синтеза.
так какие преимущества у термоядерной энергетики по сравнению с традиционной атомной?
- считается, что термоядерная энергетика оставляет меньшее количество радиоактивных отходов.
вообще казалось бы какие могут быть отходы. но плазма очень горячая и постепенно превращает в пыль первую стенку, кроме того поток нейтронов способен творить чудеса. и корпус реактора и пыль начинают чудесным образом фонить.
- лучшая доступность компонентов термоядерной реакции.
что-то сомневаюсь - тритий не стабильный его период полураспада 12 лет. значит его нужно нарабатывать где-то еще, хотя бы для запуска реактора. в дальнейшем можно нарабатывать тритий из лития - вот и поток нейтронов пригодился.
но тогда уж не лучшее ли развивать реакторы на быстрых нейтронах? их еще называют реакторы-размножители. да можно сказать, что реактор на быстрых нейтронах мало чем отличается от обычного по безопасности, но БН-800 хотя бы в промышленной эксплуатации. и замкнутый топливный цикл сулит тоже не мало вкусностей: то что сейчас «выбрасывается» можно превращать в топливо.
хватит очень надолго. по довольно осторожной оценке лет на 200. что кроме всего прочего минимизирует количество захораниваемых отходов. да конечно эксплуатация БН-800 обходится сейчас дорого, стоимость электроэнергии с него оценивают раза в полтора больше чем с обычного реактора. но надо же с чего-то начинать. термоядерный реактор в промышленной эксплуатации - сейчас это точно сказки.
тут кто-то заорет да тебе РОСАТОМ денег дал, да ты не понимаешь, ты тормозишь прогресс... но нет с деньгами у меня все плохо. ну а хорошая идея не всегда политически мотивирована. да я считаю, что за реакторами размножителями ближайшее будущее. да конечно в реакторах этого типа в активной зоне много радиоактивных материалов, но сейчас вопросам безопасности уделяется большое внимание. мне думается эту проблему притянуть за уши намного легче, чем освоить управляемый термоядерный синтез до состояния пригодного для промышленной эксплуатации.
- большая безопасность термоядерного реактора
тут скорей всего да. ректор в принципе не подвержен разгону. т.е. расплавить корпус реактора как в Чернобыле или на Фукусиме не получится. да и самих радиоактивных материалов не много и даже их утечка к значимым последствиям не приведет. тот же тритий хоть и радиоактивен но не такой он уж и страшный, имеет сравнительно небольшой период полураспада - 12 лет. из трития изготавливают фонарики, брелки используется в подсветке и т.п.
в обычном же реакторе содержится большое количество радиоактивных материалов с большим периодом полураспада, реактор потенциально способен к само разгону. сейчас конечно реактор и топливо проектируются так, чтобы исключить эти ситуации. но если по каким-то причинам разрушится активная зона обычного реактора и произойдет взрыв - последствия будут напоминать взрыв грязной бомбы.
ну и собственно говоря выводы. а выводы не очень веселые.
- будут ли промышленные термоядерные установки в этом веке?
нет. по крайней мере, если в этой области не будет принципиальных прорывов. прорыв я связываю с прогрессом в вычислительной технике, активным использование методов компьютерного моделирования, м.б. даже модных нынче технологий искусственного интеллекта. кстати рекорд на сегодня вычислительной мощности суперкомпьютера 1.1 эксафлопса по линпаку. это примерно 10^18 операций над числами с плавающей точкой в секунду. да и персоналки давно стали другими: современные видеокарты имеют производительность сотни Tflops. таких карт в системе может быть не одна. такие системы давно и успешно используют для майнинга криптоволюты. для наших целей они тоже походят.
- термоядерная энергетика сегодня хоть сколько-нибудь конкурентоспособна с более или менее традиционной?
однозначно нет. как я надеюсь было видно из содержания публикации. ловушка для плазмы это сложная и очень дорогая машина. если посмотреть на ITER так это вообще ужас. установка циклопических размеров, сложная и запредельно дорогая. при этом это не коммерческий реактор - электричество вырабатывать в принципе не может, т.е. фактически дорогой эксперимент, хотя и довольно близкий к стадии коммерческой эксплуатации.
- нужно ли продолжать исследования в этой области существующими методами?
возможно, хотя я считаю иначе.
я считаю что термоядерная энергетика должна идти по пути компьютерной симуляции. да понадобятся не хилые вычислительные мощности для симулирования полноценных реакций, но пока можно начать с малого: с небольшого количества ядер, чтобы можно было работать на обычном компьютере и нащупать перспективные методы.
почему я считаю такой способ единственно правильным. как я сказал плазма это месиво заряженных частиц. т.е. при движении такой частицы возникает электрический ток т.е. магнитное поле и изменение конфигурации электрического поля.
допустим вы определили нужную конфигурацию в которой поля частиц из которых состоит плазма будут находится в нужным вам и стабильном состоянии. вы прикладываете внешнее поле и частицы начинают двигаться к вашей конфигурации. при этом естественно они тоже будут создавать магнитные и электрические поля, которые будут между собой взаимодействовать. быстро возникают очаги нестабильности, те в свою очередь начинают влиять сильнее на остальные частицы, малейшие отклонения от целевой конфигурации тоже приводят к нестабильности и вся система очень быстро встает в ту самую позу.
эта проблема касается и пинчей и токамаков. у токамаков, например, из-за особенности геометрии плазма прилипает к стенкам. ситуация значительно лучше для стеллараторов да и то только потому, что для его разработки методы компьютерного моделирования применялись.
если провести прямые сравнения, китайский рекорд для токамаков полторы минуты. типичные намного меньше - от сотен милисикунд до единиц секунд. вендельштайн удерживал плазму около 8 минут. разница есть и она большая, но все равно 8 минут это очень мало. сейчас вендельштайн нацелился на 30 минут. это уже кое-что, хотя тоже мало.
так что я считаю «считать на бумажке» в случае плазмы это бесполезная трата времени. т.е. я считаю «посчитать на бумажке» в принципе невозможно т.к. систему нужно каждый раз пересчитывать полностью при малейшем её изменении.
в этом возможно кроется принципиально новый принцип удержания - «динамический». представим себе некую систему управления, которая постоянно «подруливает» поля так, чтобы система оставалась стабильной. нечто похожее принято мастерить своими руками это называется «левитрон на датчике холла» или как-то так. есть ливитирующие подставки, которые должны работать примерно так же.
кстати говоря когда я в конце 17 года высказал мысль в блоге tnenergy, что компьютерное моделирование единственный верный путь, а токамак устарел - о, вы не представляете что началось - обвинили меня во всем, что только можно. но время расставило все по своим местам. дивидендов мне конечно с этого мало, но приятно ощущать себя провидцем.
Wendelstein 7-X
P.S.
и немного самонадеянный вывод. если вы внимательно это читали, то должны были понять - управляемая термоядерная реакция на Земле идет не так как в звездах. в звездах реакция идет за счет колоссального давления причина которого гравитация. ясно, что этот процесс на Земле скопировать невозможно и реакции протекают за счет большой кинетической энергии сталкивающихся ядер т.е. температуры.
т.е. путь по которому идет термоядерная энергетика довольно самобытный и не копирует природные процессы, беря за основу только саму суть. я не говорю, что этот путь неправильный. сейчас с уверенностью можно сказать, что технология рабочая. но... может быть можно как-то по-другому?
можно ли придумать такую конфигурацию электромагнитного поля, чтобы она сбивала ядра в кучу до такого давления, чтобы термоядерная реакция началась? т.е. процесс будет очень похож на звездный. вопрос не праздный, я об этом много раз размышлял на досуге, но ничего путного не придумал. самое простое это конечно тупо ускорить ядра и долбануть ими друг о друга, но тут тоже проблемы. энергии на ускорение нужно затратить больше чем получится в результате реакции.
но как-то мне на глаза попалась работа В.А. Малышева о гипотезе термоядерной природе шаровой молнии. я сначала улыбнулся - явление достаточно редкое и с такой огромной концентрацией смартфонов на душу населения нормальных видео так в общем-то и нет. а тут сразу термояд - сильный ход.
но потом я подумал вот о чем. часто можно слышать, что шаровая молния возникает из куска «обычной» линейной молнии. а что такое молния - огромные напряжения и токи (не такие уж кстаи большие ~30 kA), вещество в состоянии плазмы. и я вспомнил про пинч эффект. базовое понимание эффекта довольно простое. как всегда виновата сила Лоренца.
магнитное поле двигающимися зарядами создается перпендикулярно направлению их скорости. тогда если мы воспользуемся двумя мнемониками: правилами правилом буравчика и левой руки, то несложно понять, что направление силы всегда направлено к оси тока. т.е. сжимает плазменный канал, если мы говорим например о молнии. этот эффект действительно пытались использовать для осуществления управляемых термоядерных реакций.
и задумался: может ли молния ионизировать что-то, а потом так сильно это сжать, что начнется термоядерная реакция? а ведь есть такая штука z-машина, еще можно прочитать что-то типа такого. тут еще надо заметить, что когда-то считалось, что и центр звезды недостаточно горяч для термоядерных реакций.
и помнится приверженцы этих теорий расстраивали дедушку Эддингтона. ведь именно Эддингтону принадлежит фраза "гелий, с которым мы имеем дело, должен был быть собран в какое-то время и в каком-то месте. Мы не спорим с критиком, утверждающим, что звезды недостаточно горячи для этого процесса; мы говорим ему пойти и найти более жаркое место".
кстати говоря, Малышев оценивает температуру шаровой молнии (0,3-20)⋅10^ 7 К. температура же ядра Солнца 1,5*10^7K. ок - пусть в шаровой молнии идут те же процессы что и на Солнце т.е. работает туннельный эффект. сам Манышев оценивает сближение нейтральных атомов, но я останусь верен «звездной теории».
вроде все хорошо - туннельный эффект объясняет почему реакция не происходит мгновенно как в термоядерной бомбе, но звезду удерживает в равновесии гравитация. а что удерживает в состоянии равновесии шаровую молнию? кроме электрических сил в голову ничего не приходит, но как и почему конфигурация электромагнитного поля остается стабильной долгое время? говорят в конце эта штука врывается - что произошло? пользуясь нашей аналогией - взрыв сверхновой?
а вы что об этом думаете?