Войти в аккаунт
Хотите наслаждаться полной версией, а также получить неограниченный доступ ко всем материалам?

НОВОЕ ПРО НОВОЕ

Сообщество 1699 участников
Заявка на добавление в друзья

Что не так с термоядерным синтезом?

 

Давний анекдот о синтезе — что это наш будущий источник энергии и всегда таким будет — пожалуй, является самой большой проблемой для этой сферы. Стремление поместить энергию солнца в бутылку привело к бесчисленным мечтательным предсказаниям на тему неизбежной революции в сфере экологически чистой энергии. Но ожидание синтеза так и осталось ожиданием, кредит доверия давно исчерпан, а общественное отношение к этому вопросу уже ничем не спасти.

Хотя наш цинизм о синтезе может быть вполне оправданным, он также весьма печален. Потому что, несмотря на прохладную поддержку и постоянные проблемы с финансированием, исследователи умудряются добиваться прогресса в направлении этого футуристического источника энергии. Однажды ученые справятся со всеми техническими проблемами. Однажды.

На прошлой неделе редактор io9 посетил Принстонскую лабораторию физики плазмы, чтобы взглянуть на недавно модернизированный эксперимент NSTX-U (National Spherical Torus Experiment), самый мощный «сферический токамак» — реактор синтеза на Земле. 85-тонная машина в форме гигантского яблока использует высокоэнергетические частицы для нагрева атомов водорода до температуры 100 миллионов градусов по Цельсию, что выше, чем в ядре Солнца. Для удержания этой сверхгорячей плазмы, обмоточные медные катушки генерируют магнитное поле в 20 000 раз более мощное, чем у Земли. Все для того, чтобы в течение нескольких волшебных секунд атомные ядра сталкивались, синтезировались и выпускали энергию.

Этот эксперимент является шагом на пути к создания установки синтеза, которая будет работать постоянно, запитывая целые города всего лишь одним граммом морской воды.

Звучит, конечно, это прекрасно. Но ядерная физика говорит свое веское «нет».

 

 

Легко понять, почему сфера энергии синтеза склонна к громким заявлениям — в основе лежит просто невероятная идея. Но что больше всего поражает во время экскурсии по PPPL, это не волшебная наука, которая творится внутри гигантского реактора, и не центр управления а-ля Хьюстон, где десятки ученых проводят моделирования на суперкомпьютерах. Поражает баланс оптимизма на тему будущего энергии синтеза и реализма на тему сложных физических и технических проблем, которые необходимо решить на пути к этому будущему.

«Все это слишком классно, чтобы быть правдой: сама идея того, что мы получим источник безграничной и безуглеродной энергии», — говорит Клейтон Майерс, плазмофизик из NSTX-U. — Но ядерная физика говорит, что это не так. Доказано лишь то, что термоядерные реакции реальны и что мы можем их проводить».

Первая проблема, как выяснили физики в 1950-х и 1960-х, заключается в том, что синтезируемая плазма — свободно текущий бульон из протонов и электронов, атомные ядра которых сталкиваются и испускают энергию — не любит, когда ее удерживают. Она хочет расплескиваться повсюду, и нам нужно достаточно высокое давление и длительное время, чтобы мы могли произвести больше энергии, чем потратить на удержание этой плазмы.

Наше солнце удерживает плазму силой своей гравитации, но на Земле мы должны полагаться на мощные магниты и лазеры для этого. И цена ошибки очень высока. Даже крошечное количество сбежавшей плазмы может пробить стенку реактора и остановить процесс.

Область физики плазмы расцвела из желания закупорить звезду в бутылке. За последние несколько десятилетий эта область разрослась в бесчисленных направлениях, от астрофизики до космической погоды и нанотехнологий.

По мере того, как росло наше общее понимание плазмы, росли и наши возможности поддержания условий синтеза в течение больше чем секунды. В начале этого года новый сверхпроводниковый реактор синтеза в Китае смог удержать плазму температурой в 50 миллионов градусов по Цельсию в течение рекордных 102 секунд. Wendelstein X-7 Stellarator, который заработал в Германии впервые прошлой осенью, как ожидается, сможет побить этот рекорд и удержать плазму до 30 минут за раз.

Недавнее обновление NSTX-U выглядит скромным в сравнении с этими монстрами: теперь эксперимент может удерживать плазму в течение пяти секунд вместо одной. Но и это тоже является важной вехой.

«Создание термоядерной плазмы, которая живет всего пять секунд, может показаться не очень длительным процессом, но в физике плазмы пять секунд можно сравнить с ее физикой в стабильном состоянии», — говорит Майерс, ссылаясь на условия, при которых плазма стабильна. Конечная цель заключается в достижении стабильного состояния «горящей плазмы», которая может проводить синтез сама по себе за счет небольшого ввода энергии извне. Ни один эксперимент пока такого не добился.

NSTX-U позволит принстонским исследователям заполнить некоторые пробелы между тем, что известно из физики плазмы сейчас, и тем, что будет необходимо для создания опытно-промышленной установки, способной достичь устойчивого состояния горения и генерации чистой электроэнергии.

С одной стороны, чтобы найти лучшие материалы для удержания, нам нужно лучше понять, что происходит между термоядерной плазмой и стенками реактора. В Принстоне изучают возможность замены стенок своего реактора (из угольного графита) на «стенку» из жидкого лития с целью снижения долгосрочной коррозии.

Ко всему прочему, ученые полагают, что если синтез поможет в борьбе с глобальным потеплением, им нужно поторапливаться. NSTX-U поможет физикам решить, стоит ли продолжать развивать дизайн сферического токамака. Большинство реакторов типа токамак в меньшей степени похожи на яблоко по форме и в большей — на пончик, бублик, тор. Необычная форма сферического тора позволяет более эффективно использовать магнитное поле своих катушек.

«В длительной перспективе мы хотели бы выяснить, как оптимизировать конфигурацию одной из этих машин, — говорит Мартин Гринвальд, замдиректора Центра наук о плазме и синтезе в MIT. — Для этого вам нужно знать, как производительность машины зависит от того, что поддается вашему контролю, вроде формы».

 

 

Майерс ненавидит оценивать, насколько мы далеки от коммерчески возможной термоядерной энергии, и его можно понять. В конце концов, десятки лет неизбывного оптимизма нанесли серьезный вред репутации этой области и укрепили мысли о том, что синтез — это несбыточная мечта. Со всеми последствиями для финансирования.

Для программы синтеза MIT стало серьезным ударом то, что федералы предоставили поддержку токамака Alcator C-Mid, который производит одно из мощнейших магнитных полей и демонстрирует синтезируемую плазму при высочайшем давлении. Большинство ожидаемых исследований NSTX-U будут зависеть от дальнейшей поддержки на федеральном уровне, которая, по словам Майерса, оказывается «через год».

Всем приходится осторожно тратить доллары, выделяемые на исследования, а некоторые программы синтеза уже сожрали невероятные суммы. Взять, например, ИТЭР, огромный сверхпроводящий реактор синтеза, который в настоящее время строится во Франции. Когда в 2005 году началось международной сотрудничество, оно было заявлено как проект на 5 миллиардов долларов и 10 лет. После нескольких лет неудач ценник вырос до 40 миллиардов долларов. По самым оптимистичным оценкам, объект будет завершен к 2030 году.

И там где ИТЭР, похоже, будет разбухать как опухоль, пока не исчерпает ресурсы и не убьет хозяина, урезанная программа синтеза в MIT показывает, как можно сделать все с гораздо меньшим бюджетом. Прошлым летом команда аспирантов MIT представила планы ARC, термоядерного реактора с низким уровнем затрат, который будет использовать новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы для генерации такого же объема энергии, как и ИТЭР, только с гораздо меньшим устройством.

 

 

«Проблема синтеза в том, чтобы найти технический путь, который сделает его экономически привлекательным — это-то мы и планируем сделать в ближайшее время, — говорит Гринвальд, отмечая, что концепция ARC в настоящее время проводится в рамках Energy Initiative в MIT. — Мы считаем, что если синтез будет иметь значение для глобального потепления, нам нужно двигаться быстрее».

«Синтез обещает быть основным источником энергии — это, по сути, наша конечная цель», — говорит Роберт Рознер, плазмофизик из Университета Чикаго и соучредитель Института энергетической политики при нем. «В то же время есть важный вопрос: сколько мы готовы потратить прямо сейчас. Если мы снизим финансирование до той точки, когда следующее поколение умных детишек вообще не захочет этим заниматься, мы можем вообще выйти из этого дела».

Источник: hi-news.ru
{{ rating.votes_against }} {{ rating.rating }} {{ rating.votes_for }}

Комментировать

осталось 1800 символов
Свернуть комментарии

Все комментарии (12)

Алексей Хохлов

комментирует материал 02.06.2016 #

30 лет тому назад я конструировал узлы выведения юстировочной и рабочей мишени для установки лазерного термоядерного синтеза. А воз и ныне там...

no avatar
Алексей Глебов

комментирует материал 02.06.2016 #

Перевод фиговенький, не стал дочитывать. Синтеза мы таки добъёмся, это дело времени.
Алексей, вам + (даже два) за информацию.

no avatar
Сергей Столбов

комментирует материал 02.06.2016 #

Существует также направление каталитически обеспеченного термояда.
"Термоядерный реактор с внутренним каталитическим циклом." http://sci-article.ru/stat.php?i=1418333672
Рассмотрен реактор термоядерного синтеза с внутренним нейтронным разогревом плазмы и каталитически стабилизированным его составом.
Этот подход как минимум снимает требования обусловленные "критерием Лоусона".
Статья опубликована в №16 (декабрь) 2014 журнала SCI-ARTICLE.
В этом случае разогрев плазмы идет за счет экзотермических реакций, поэтому критерий Лоусона основанный на необходимости возврата вложенной на разогрев плазмы энергии не работает и процесс каталитически замкнут по тритию, гелию-3 и нейтронам.

no avatar
Анатолий Анимица

отвечает Сергей Столбов на комментарий 02.06.2016 #

Напоминаю, что сам термин "Холодный Управляемый Ядерный Катализ" принадлежит лично мне и никому больше. Прав на аббревиатуру, впрочем, я себе не брал. Поэтому аббревиатуру может использовать каждый как хочет.

no avatar
Анатолий Анимица

комментирует материал 02.06.2016 #

Таксономия энергетики такова, что мы имеем три исчерпывающих источника энергии, находящейся или могущей оказаться в нашем распоряжении.
Это энергия мироздания, или по-другому доступные нам остатки кинетической энергии создания звездных и планетных систем. Для Земли эта энергия в доступном для нас виде исчерпывается энергией пассатных ветров, и вторично - энергией океанских волн, порождаемых пассатами. Небольшую часть добавит геотермальная энергия, которая тоже относится к энергии мироздания. По моей модели источником внутреннего тепла Земли являются не атомные процессы, а всего-навсего преобразованная в тепловую кинетическая энергия тел, которые падали и падали на Землю, формируя ее нынешний облик. Потом это все накрылось постепенно остывшей корой, и все дела. Йеллоустоун - пожалуйте бриться.
Во-вторых, это энергия распада тяжелых ядер, нам доступна энергия распада U235 и Pu239.
А в-третьих и в последних, это термоядерная энергия процессов синтеза, идущих в Солнце.
Все тепловые электростанции, вся нефть и весь уголь, а также все ГЭС - это термоядерная энергия.

Поэтому термоядерный синтез нужен только для того, чтобы цуцик не змерз когда Солнце потухнет.

no avatar
Анатолий Анимица

отвечает Анатолий Анимица на комментарий 02.06.2016 #

А пока Солнце не сгасло.

Солнечная постоянная равна 1.4кВт/м2=1.4E3Вт/м2. Если представить себе Землю в виде чемодана со стороной 12000км, то проекция поверхности Земли на нормальную к солнечному радиус-вектору плоскость даст 150млн.кв.км=150трлн.кв.м=1.5E14кв.м. ! квадратный километр - полтора гигаватта. 150 миллионов квадратных километров = 1.4Е3*1.5E14=2.1E17Вт. E9 - гигаватт, E12 - тераватт, E15 - петаватт, Имеем 200 петаватт.
Хватит на первый случай? Начать можно опять с моего ГИГа. 3 квадратных километра солнечных батарей это 3 миллиона квадратных метра и 4.2 гигаватта падающей если по нормали энергии. Мегаватт 100-500 в среднем за сутки можно получить. Небось подешевле будет чем термоядом заниматься? А можно сделать, заработать денег, а деньги пустить на термояд, а?

no avatar
Greg An

отвечает Анатолий Анимица на комментарий 04.06.2016 #

достоинство сол.батарей на возд.плав.судне - что его возможно относительно легко разворачивать под нужным углом к солнцу.
тогда с 1кв.км можно пол-суток получать по 200-300квт ( при КПД 20-30% )

впрочем, вес существующих сол. батарей и даже перспективных превысит возможную подъёмную силу ?
- вроде так, особо на больших высотах, посмотрите пожалуйста.

no avatar
aaamr

отвечает Greg An на комментарий 05.06.2016 #

Сейчас посчитаем, по-быстрому. Солнечная постоянная - 1.4кВт/м2. Допустим, ГИГ висит над экватором и умеет топорщить свои батареи нормально, то есть перпендикулярно Солнцу. Пусть эффективное время освещения - 10 часов в сутки, кпд - 20%. Тогда квадратный метр за сутки даст 1.4*10*0.2=2.8кВтчас, а квадратный километр - в миллион раз больше, то есть 2800МВтчас. Сбросим 400МВтчас чтобы легче делить было, останется 2400МВтчас, то есть среднесуточная мощность квадратного километра - 100МВт. У меня их три. Три квадратных километра. Внутренние нужды, то-се, пятое-десятое, на любые обособленные цели 100МВт останется. В принципе есть идеи как сделать "ГИГ-подсолнух", ориентируя оси ДП баллонов ГИГА перпендикулярно солнечному радиус-вектору и вращая баллон вокруг центральной оси, но я не считал, стоит эта овчинка выделки или проще добавить батарей. Будет надо - посчитаю, не проблема.
Теперь насчет грузоподъемности. 10 граммов нетто грузоподъемность на высоте стояния 30км, значит, ГИГ поднимет 0.01*E9кг полезной нагрузки, или 1E7кг, по-научному 10000тонн.
Я прикидывал, должно хватить и на солнечные батареи, и на кабаре Мулен Руж, и на цыган с медведями, и на казино с рулетками и на все остальное.


user avatar
Greg An

отвечает aaamr на комментарий 11.06.2016 #

при более подробном рассмотрении оптимизма всёж будет помене : а сколько один только кабель весит длиной-высотой в 30км и на 2400МВт ? А ить ещё конструкция, газ гелий, то-сё, ...
- Так что давайте подробные расчёты и ссыль на них, на опыты предшественников, - иначе не взлетим )

no avatar
Микола Борисiв

комментирует материал 02.06.2016 #

токамак, тем более сферический, никогда не станет основой для коммерческого реактора. Причина проста - это импульсная машина по определению. Если по-простому, то это трансформатор, в котором плазма является вторичной обмоткой. И чтобы в ней шёл постоянный ток (а он обязан быть хотя бы примерно постоянным, чтобы нужное магнитное равновесие возникало), в первичной обмотке ток должен непрерывно расти. Преимущество токамаков лишь в их конструкционной простоте и потому они заметно обгоняли остальные проэкты. Однако в этом году монополия токамаков на впечатляющие результаты закончилась. Уже в первой экспериментальной кампании (она уже закончена) на стеллараторе Вендельштайн 7Х, запущенном недавно в Германии, проведенной с сильными ограничениями по мощности нагрева и длительности разряда, практически сразу получены потрясающие результаты, в разы превышающие самые оптимистические предсказания теории. Токамакам такие параметры и такое эффективное энергоудержание и не снились.

no avatar
Микола Борисiв

отвечает Микола Борисiв на комментарий 02.06.2016 #

В отличие от токамаков, эта машина расчитана уже на стационарное удержание плазмы практически с реакторными параметрами (до 30 мин, но это не физическое, а чисто коммерческое ограничение: при более длительном разряде тарифы на электроэнергию для установки будут заметно выше, притом что потребление мощности на пике может достигать десятков мегаватт).

no avatar
×
Заявите о себе всем пользователям Макспарка!

Заказав эту услугу, Вас смогут все увидеть в блоке "Макспаркеры рекомендуют" - тем самым Вы быстро найдете новых друзей, единомышленников, читателей, партнеров.

Оплата данного размещения производится при помощи Ставок. Каждая купленная ставка позволяет на 1 час разместить рекламу в специальном блоке в правой колонке. В блок попадают три объявления с наибольшим количеством неизрасходованных ставок. По истечении периода в 1 час показа объявления, у него списывается 1 ставка.

Сейчас для мгновенного попадания в этот блок нужно купить 1 ставку.

Цена 10.00 MP
Цена 40.00 MP
Цена 70.00 MP
Цена 120.00 MP
Оплата

К оплате 10.00 MP. У вас на счете 0 MP. Пополнить счет

Войти как пользователь
email
{{ err }}
Password
{{ err }}
captcha
{{ err }}
Обычная pегистрация

Зарегистрированы в Newsland или Maxpark? Войти

email
{{ errors.email_error }}
password
{{ errors.password_error }}
password
{{ errors.confirm_password_error }}
{{ errors.first_name_error }}
{{ errors.last_name_error }}
{{ errors.sex_error }}
{{ errors.birth_date_error }}
{{ errors.agree_to_terms_error }}
Восстановление пароля
email
{{ errors.email }}
Восстановление пароля
Выбор аккаунта

Указанные регистрационные данные повторяются на сайтах Newsland.com и Maxpark.com

Перейти на мобильную версию newsland