vladimirtan (vladimirtan) wrote,
vladimirtan
vladimirtan

Categories:

Можем ли мы зажечь звезду на Земле?



.
В центре нашей Солнечной системы находится огромный термоядерный реактор. Земля вращается вокруг этого массивного тела на среднем расстоянии в 150 миллионов километров. Это звезда, которую мы называем Солнцем. Солнце дает нам энергию, необходимую для жизни. Но могли ли ученые создать миниатюрный вариант солнца здесь, на Земле?


Это невозможно: это уже сделано. Если вы думаете о звезде как о машине ядерного синтеза, человечество дублирует природу звезд на Земле. Но это откровение имеет квалификаторы. Примеры слияния здесь на Земле находятся в небольшом масштабе и продолжаются всего несколько секунд.


.
.
Чтобы понять, как ученые могут создать звезду, необходимо узнать, из чего звезды сделаны и как работает синтез. Солнце содержит около 75% водорода и 24% гелия. Более тяжелые элементы составляют последний процент массы солнца. Ядро солнца интенсивно горячее - температура превышает 15 миллионов Кельвин (чуть меньше 15 миллионов градусов Цельсия).
.
При этих температурах атомы водорода поглощают столько энергии, что они сливаются вместе. Это не тривиальный вопрос. Ядро атома водорода представляет собой один протон. Для слияния двух протонов вместе требуется достаточно энергии для преодоления электромагнитной силы. Это потому, что протоны положительно заряжены. Если вы знакомы с магнитами, вы знаете, что подобные заряды отталкивают друг друга. Но если у вас достаточно энергии для преодоления этой силы, вы можете сплавить два ядра в одно.
.
То, что вы получите после этого первоначального слияния, - дейтерий, изотоп водорода. Это атом с одним протоном и одним нейтроном. Слияние дейтерия с водородом создает гелий-3. Слияние двух атомов гелия-3 вместе создает гелий-4 и два атома водорода. Если вы не вдаваться в промежуточные этапы этого процесса, по сути четыре атома водорода сливаются с образованием одного атома гелия-4.
.
Здесь энергия вступает в игру. Атом гелия-4 имеет меньшую массу, чем четыре атома водорода. Итак, где же эта лишняя масса? Она превращается в энергию. И, как известно, из популярного уравнения Эйнштейна, энергия равна массе объекта, умноженной на квадрат скорости света. Это означает, что масса мельчайшей частицы эквивалентна огромному количеству энергии. Итак, как ученые создают звезды?
.
Зажигаем звезды

.
Создание достаточной энергии для преодоления электромагнитной силы непросто, но ученым удалось сделать это 1 ноября 1952 года. Именно тогда на атолле Эниветок взорвалась первая в мире водородная бомба Иви Майк. Бомба имела две ступени. Первым этапом была бомба деления урана. Деление - это процесс расщепления ядра. Это тип бомбы, которую США использовали в Нагасаки и Хиросиме, чтобы показать всему миру самую крутую бомбу.
.
Элемент урановой бомбы Иви Майка был необходим для создания огромного количества энергии, необходимой для преодоления электромагнитной силы водорода, чтобы сплавить его в гелий. Тепло от начального взрыва, перенесенного через свинцовый корпус бомбы, в колбу, содержащую жидкий дейтерий. Плутониевый стержень внутри колбы выступал в качестве воспламенения для реакции синтеза.
.


.
В результате взрыв составлял 10,4 мегатонн. Он полностью уничтожил остров, оставив за ним кратер глубиной около 50 метров. На короткое мгновение человек использовал силу звезд, чтобы создать оружие огромной силы. Начался термоядерный век.
.
Апогеем таких экспериментов стало создание и испытание СССР царь-бомбы в 58 мегатонн 30 октября 1961 году в районе Новой Земли. Бомба состояла из нескольких шарообразных слоев дейтерида лития и урана 238. Взрывная волна обогнула 3 раза земной шар, огненный шар радиусом около 3 км, как искусственное Солнце, был виден на расстоянии в 1000 км, в радиусе 100 км излучение вызывало ожоги 3 степени.
.
.
Лаборатории во всем мире теперь пытаются найти способ использовать слияние как источник энергии. Если они смогут найти способ создания устойчивых и контролируемых реакций, ученые могут использовать синтез для обеспечения огромного количества энергии в течение миллионов лет. Нет недостатка в топливе - водорода много, а океаны содержат большое количество дейтерия.
.
Объем мощности, необходимой для инициирования плавления в сочетании с интенсивным теплом, созданным событием, затрудняет создание объекта, способного удержать реакцию.

Прошло уже более 60 лет, с тех пор как впервые был применен термоядерный синтез, но мы так и не научились контролировать эту реакцию, чтобы получать из нее необходимые нам блага в виде энергии и отказаться от источников, загрязняющих нашу планету. К числу подобных источников можно отнести и современную атомную энергетику, использующую ядерную реакцию деления.
Основные опасения, по поводу современной ядерной энергетики, породили аварии в Чернобыле в 1986 году и на Фукусиме в 2011 году. В частности, катастрофа на Фукусиме разрушила миф об энергетических реакторах с нулевым риском. Но кроме значительных рисков для безопасности, эти реакторы также имеют проблемы с утилизацией отходов и перекачивают огромное количество воды. Другой важный момент заключается в том, что основным источником топлива для современных атомных реакторов служит Уран-235, запасов которого вряд ли хватит на ближайшее столетие. Именно поэтому будущее, с развитой термоядерной энергетикой, выглядит таким привлекательным.



Схема работы АЭС на двухконтурном водо-водяном ядерном реакторе, который использует реакцию распада
Однако, в отличии от ядерной реакции деления, которая используется в современных атомных станциях, ядерный синтез оказался крепким орешком. Много десятилетий ученые со всего мира ломают головы разрабатывая технологии, для получения стабильной и безопасной реакции. Было придумано несколько видов реакторов, но ни один из них не годится для практического применения.

.
Термоядерный реактор
.
Дейтерий (2H) и тритий (3H) — это изотопы первого и самого легкого химического элемента — водорода, именно их комбинация зарекомендовала себя на роль источника энергии будущего (рассматриваются и другие типы реакций). При каждом слиянии дейтерия и трития образуется нейтрон и ядро гелия, а также 17,6 МэВ энергии.

.
Слияние дейтерий — тритий
Wikimedia





Если сравнить термоядерный и ядерный реактор, то из одного килограмма исходной смеси в термоядерном реакторе будет производиться в три раза больше энергии, чем в ядерном. Для сравнения с другими источниками энергии, представьте, что 86 грамм дейтерий тритиевой смеси производит такое же количество энергии, как при сжигании 1000 тонн угля.
.
Но как упоминалось выше, чтобы пользоваться этой энергией, нужно разработать реактор, который бы работал стабильно и безопасно. Однако это не простая задача, потому что для удержания невероятно горячей плазмы, нужно было создать особый сосуд.
.
Токамак


.
Первое в мире устройство типа токамак: отечественный Токамак Т1 в Курчатовском институте в Москве. Плазма в диапазоне 0,4 кубометра была получена в медном вакуумном сосуде

.
Советские ученые предложили идею магнитного удержания плазмы в 1950, а уже в 1958 году была построена первая в мире экспериментальная термоядерная установка — «Токамак Т1». Конструкция подразумевает тороидальную камеру с магнитными катушками, в которой плазма удерживается не стенками камеры, а специально создаваемым комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающим по плазменному шнуру. Концепция получилась весьма успешной, что привело к постройке порядка 300 токамаков по всему миру.

.Французкий токамак Tore Supra во время апргрейда в диверторную конфигурацию

.
Однако из-за того, что полностью контролировать поведение плазмы ученым пока не удается — выход энергии при термоядерном синтезе получается нестабильным и неоднородным. Даже такой тугоплавкий метал, как вольфрам не выдерживает нагрузку, которую создают потоки плазмы в экспериментах, а это приводит к целому ряду дополнительных проблем, одна из них — разрушение первой стенки в токамаках.
.
Стелларатор

.
Квазисимметричный стелларатор HSX, США


.
Стелларатор отличается от токамака тем, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок тороидальной камеры полностью создаётся внешними катушками, позволяя использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей.
.
Сама концепция стеллараторов возникла в середине 20 века, но существенный прогресс в их улучшении был достигнут в начале 21 века благодаря развитию компьютерных технологий, а в частности, графических программ.
.
В то время как токамак работает в импульсном режиме (из-за того, что там происходят срывы плазмы), стелларатор является стационарной машиной (теоретически), при условии, что там удастся реализовать стеллараторную конфигурацию.
.
Основным недостатком стеллараторов является их малоизученность в действии. Конструкция стелларатора оказалась настолько сложной, что уровень развития техники долгое время не позволял его построить. Не удивительно, что изучение термоядерного синтеза на стеллараторах было заброшено, в то время, как на токамаках оно не останавливалось. Вероятно, по этой причине самый масштабный проект в данной области — ITER (ИТЭР) взял за свою основу токамак, а не стелларатор.
.

Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (ИТЭР)


.


ИТЭР — это международный мегапроект по исследованию термоядерного синтеза, который станет самым гигантским термоядерным реактором за всю историю человечества. В его постройке участвует 35 стран, так как, еще в середине семидесятых стало ясно, что одна страна вряд ли способна решить эту проблему. В его создании участвует и Россия. (Сегодня в России термоядерные исследования «развиваются по различным направлениям», и участие во французском проекте — лишь одно из них.)
.
Для размещения гигантского реактора предлагались разные площадки, но в итоге «стройку века» было решено начать на юге Франции. Строительство стартовало в 2007 году, но с тех пор ИТЭР столкнулся с техническими задержками, отставанием от графика, сменой руководства и увеличением расходов, которые выросли с первоначальной оценки в пять миллиардов евро до примерно 20 миллиардов евро.
.
Но это не удивительно, ведь это самый дорогой и масштабный научный проект за который взялось человечество. Согласно расчетам, весить он будет как три Эйфелевых башни — 23 000 тонн, диаметр самого реактора будет достигать 20 метров в ширину и 60 метров в высоту. Объем плазмы, которую ученые планируют получать на этой установке оценивается в 840 кубических метров, что в 10 раз больше, чем на самом большом и современном токамаке, имеющемся сейчас. Термоядерная реакция в недрах токамака ИТЭР будет происходить при немыслимых 150 миллионов градусов Цельсия.
.
Чтобы удерживать такой объем плазмы, магнитное поле на ИТЭР будет приблизительно в 200 раз больше, чем у Земли. Таких показателей удастся достичь используя несколько сотен тонн сверхпроводников. Как уже можно понять, это ноу-хау будет использовать все передовые технологии и последние наработки достигнутые человечеством в науке.
.
Однако какие бы усилия не были задействованы для строительства ИТЭР, этот реактор является лишь первым шагом в термоядерное будущее. Основная причина его создания состоит в изучении поведения плазмы на сверхвысоких термоядерных температурах, и только если испытания пройдут успешно, то начнется строительство первого демонстрационного реактора. На текущий момент проект ИТЭР завершен приблизительно на 70%. c

.
Итак, мы можем создать звезду на Земле - по крайней мере, на короткое время. Но еще предстоит выяснить, можем ли мы поддерживать такое творение и использовать его поразительную энергию в мирных целях.c

источник

Tags: атом, наука
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments