Атомная термоядерная энергетика различия: Термоядерная энергетика | Атомная энергия 2.0

Атомный или ядерный

Какое из этих слов применимо в той или иной ситуации? Путаница возникает нередко. Строго говоря, мы используем энергию, заключенную в ядре атома. Поэтому более правильное определение — «ядерный», которое в большинстве случаев без потери смысла можно заменить словом «атомный».

Однако существуют традиционные, устоявшиеся словосочетания: «атомная электростанция», «атомный ледокол», «атомная бомба», а также «ядерный реактор», «ядерное топливо», «ядерная энергетическая установка». То есть сочетание «ядерный ледокол» тоже правильное, но режет слух.

Слово «атомный» в большей степени ассоциируется с мирными технологиями. Например, атомный ледокол — гражданское судно.

Негатив и позитив

Наталия Фельдман посвятила анализу слов «атомный» и «ядерный» большой материал. В основе переносных значений этих прилагательных, по ее словам, лежат такие характеристики, как «мощное высвобождение энергии», «концентрация», «инновационность», «движение вперед». Исследователь показала механизм изменения смысла словосочетания «атомная бомба», возникающего при его употреблении в прямом значении, и появления позитивного смысла у нейтрального словосочетания «ядерный реактор». В переносных значениях слова не фиксируются лексико-графическими источниками, поскольку в речи политиков встречаются редко. В разное время слова «атомный» и «ядерный» использовались в текстах с разной частотой, о чем свидетельствуют данные Нового частотного словаря русской лексики О. Н. Ляшевской и С. А. Шарова. Изменение частоты употребления прилагательных обусловлено экономическими и общественно-политическими причинами. Так, например, в 1950–1960-е годы были созданы первые ядерные реакторы и первые атомные бомбы, в 1954 году заработала первая в мире атомная электростанция — Обнинская АЭС. Успехам в сфере мирного атома и незасекреченным военным технологиям посвящались газетные статьи и художественные произведения. Увеличение частоты употребления прилагательных «атомный» и «ядерный» в публицистике в 1970–1980-е и 1990–2000-е годы обусловлено тем, что 26 апреля 1986 года произошла авария на Чернобыльской АЭС, которая вызвала широкий общественный резонанс и привлекает внимание СМИ до сих пор. Дата аварии является особым информационным поводом, способствующим росту количества публикаций. Значительное повышение частотности употребления слова «ядерный» в публицистике 1990–2000 годов может быть связано как с развитием темы аварии на АЭС (Чернобыльской, «Фукусиме‑1»), так и с обсуждением темы ядерного разоружения, активно освещавшейся в СМИ в 1990-е годы.

Атомное ядро и атомные цены

Из таблицы видно, что слово «ядерный» в художественной литературе употребляется реже, чем слово «атомный». Возможно, слово «атомный» в большей степени ассоциировалось с мирными технологиями (например, АЭС), а «ядерный» — с технологиями военными. В Словаре русского языка С. И. Ожегова слову «атомный» посвящена отдельная статья, где представлен ряд однокоренных слов: «атом», «атомистический», «атомник», «атомоход», «атомщик». В том же словаре у слова «ядерный» зафиксировано три значения. Во-первых, «связанный с ядром». Во-вторых, «относящийся к процессам, происходящим в атомном ядре». И, наконец, «относящийся к ядерному оружию, обладающий этим оружием». В Большом толковом словаре русского языка кроме основных значений указано дополнительное, у слова «атомный» со стилистической пометкой «разг.», у «ядерный» — «жарг.». Например, они употребляются в сочетаниях «атомная смесь» (когда говорят о чем-либо совершенно несовместимом), «атомные цены» (непомерно высокие). «Ядерный» также употребляется в нескольких значениях: «ядерная часть клетки», «относящийся к процессам, происходящим в атомном ядре, к использованию энергии атомного ядра: ядерная реакция, ядерная энергия, ядерное топливо, ядерная катастрофа и ядерный реактор (устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления атомных ядер)». Далее «ядерная физика (раздел физики, в котором изучаются атомные ядра и их превращения)». И, наконец, «обладающий ядерным оружием: ядерные страны, ядерная подводная лодка». Также это слово используют как жаргонизм, когда хотят сказать «чрезмерный в своем проявлении»: «ядерные цены» (очень высокие), «ядерный плащ» (сверхмодный).

Ядерный чемоданчик

В Толковом словаре русского языка начала XXI века слово «атомный» отсутствует вовсе. А «ядерный» фиксируется в составе словосочетания «ядерный чемоданчик» и в устойчивом выражении «держать палец на ядерной кнопке». Приводится такое определение: «Ядерный чемоданчик — находящееся у главы государства устройство, сигналом с которого санкционируется нанесение ответного ядерного удара». «Держать палец на ядерной кнопке» трактуется как «быть готовым к нанесению ядерного удара».

Владелец ядерного чемоданчика держит палец на ядерной кнопке.

ГОВОРЯТ СЛОВАРИ

В атомном словаре прилагательные «атомный» и «ядерный» используются как синонимы-дублеты.

Атомная энергетика

Отрасль энергетики, использующая ядерную энергию для целей электрификации и теплофикации. Как область науки и техники, разрабатывает методы и средства преобразованияь ядерной энергии в электрическую и тепловую.

Ядерная энергетика

См. «Атомная энергетика». В зарубежной литературе употребляются более точные термины «ядерная энергетика» и «ядерная электростанция». У нас укоренились термины «атомная энергетика» и «атомная электростанция».

Атомная энергетическая установка

Устоявшееся название ядерной энергетической установки на атомных подводных лодках.

Ядерная установка

Любая установка, на которой образуются, обрабатываются или находятся в обращении радиоактивные или делящиеся материалы в таких количествах, при которых необходимо учитывать вопросы ядерной безопасности.

Атомная энергия

Энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях и радиоактивном распаде.

Ядерная энергия

Внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при ядерном делении или ядерных реакциях.

В Большом академическом словаре русского языка зафиксировано три значения слова «атомный»: «относящийся к атому, связанный с ним», «связанный с исследованием атома», «связанный с использованием энергии распада ядра атома» (Большой академический словарь. М., 2016. Т. 1. С. 304). В Активном словаре русского языка слово «атомный» дается в более широком значении: «такой, в котором используется или перерабатывается энергия, освобождающаяся при распаде ядер атомов» (Активный словарь русского языка. М., 2014. Т. 1: А–Б. С. 123). Авторы словарей отмечают, что слово «атомный» стало чаще употребляться, когда атомная энергетика и ядерные технологии начали использовать в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях. В частности, приводятся примеры словосочетаний «атомный век» и «атомная эра». Кроме того, слово «атомный» употребляют применительно к явлениям, процессам, устройствам, связанным с разработкой и применением ядерного оружия: «атомные испытания», «атомный гриб», «атомная война», «атомная бомбардировка», «атомное бомбоубежище», «атомная стратегия» и т. п. (Там же).

Синонимы

В современной публицистике, хотя в словаре зафиксирован один вариант, прилагательные «атомный» и «ядерный» употребляют как синонимы. Вот, например, статья Lenta. ru «И даже в области балета…» (от 9 июня 2017 года), рассказывающая о проекте «Прорыв»: «Строящийся под Томском ядерный реактор откроет новую страницу в энергетике Земли… В мире сегодня работают 449 мирных промышленных атомных реакторов и еще 60 строятся». Или новая разработка «Росатома» — батарейка. Ее тоже называют и атомной, и ядерной: «российская атомная батарейка прослужит 50 лет» и «наша ядерная батарейка — это своего рода слоеный пирог, между 200 алмазными полупроводниками установлены 200 изготовленных из никеля‑63 источников энергии» (Российская газета. М. 2018. № 7571. 22 мая). Да и технологии в одной статье называют то атомными, то ядерными: «без атомных технологий здесь действительно не обойтись» и «на «Атомэкспо‑2019» широко обсуждались и неэнергетические способы применения ядерных технологий, например в медицине и сельском хозяйстве, и даже разработки вообще из других областей, которые благодаря атомщикам получили новый импульс, новое качество, — цифровые продукты, управление сложными системами и др. » (Новая газета [Электронный ресурс]. URL: https://novayagazeta.ru (18.04.2019). А вот атомная и ядерная физика — это все же разные дисциплины: атомная физика изучает строение и свойства атомов, а ядерная — строение, свойства и последствия столкновения атомных ядер.Другими словами, атомная физика изучает атом в целом, ядерная — его ядро.

Опубликовано в газете «Страна РОСАТОМ»

Термоядерные реакторы, как они работают и есть ли у них будущее

Вторая половина XX века была периодом бурного развития ядерной физики. Стало ясно, что ядерные реакции можно использовать для получения огромной энергии из мизерного количества топлива. От взрыва первой ядерной бомбы до первой АЭС прошло всего девять лет, и когда в 1952 году была испытана водородная бомба, появились прогнозы, что уже в 1960-х вступят в строй термоядерные электростанции. Увы, эти надежды не оправдались.

Игорь Егоров

Основной источник энергии для человечества в настоящее время — сжигание угля, нефти и газа. Но их запасы ограничены, а продукты сгорания загрязняют окружающую среду. Угольная электростанция дает больше радиоактивных выбросов, чем АЭС такой же мощности! Так почему же мы до сих пор не перешли на ядерные источники энергии? Причин тому много, но главной из них в последнее время стала радиофобия. Несмотря на то что угольная электростанция даже при штатной работе вредит здоровью куда большего числа людей, чем аварийные выбросы на АЭС, она делает это тихо и незаметно для публики. Аварии же на АЭС сразу становятся главными новостями в СМИ, вызывая общую панику (часто совершенно необоснованную). Впрочем, это вовсе не означает, что у ядерной энергетики нет объективных проблем. Немало хлопот доставляют радиоактивные отходы: технологии работы с ними все еще крайне дороги, и до идеальной ситуации, когда все они будут полностью перерабатываться и использоваться, еще далеко.

От деления к синтезу

Потенциально решить эти проблемы позволяет переход от реакторов деления к реакторам синтеза. Если типичный реактор деления содержит десятки тонн радиоактивного топлива, которое преобразуется в десятки тонн радиоактивных отходов, содержащих самые разнообразные радиоактивные изотопы, то реактор синтеза использует лишь сотни граммов, максимум килограммы, одного радиоактивного изотопа водорода — трития. Кроме того, что для реакции требуется ничтожное количество этого наименее опасного радиоактивного изотопа, его производство к тому же планируется осуществлять непосредственно на электростанции, чтобы минимизировать риски, связанные с транспортировкой. Продуктами синтеза являются стабильные (не радиоактивные) и нетоксичные водород и гелий. Кроме того, в отличие от реакции деления, термоядерная реакция при разрушении установки моментально прекращается, не создавая опасности теплового взрыва. Так почему же до сих пор не построено ни одной действующей термоядерной электростанции? Причина в том, что из перечисленных преимуществ неизбежно вытекают недостатки: создать условия синтеза оказалось куда сложнее, чем предполагалось в начале.

Чтобы термоядерная  реакция была энергетически выгодной, нужно обеспечить достаточно высокую температуру термоядерного топлива, достаточно высокую его плотность и достаточно малые потери энергии. Последние численно характеризуются так называемым «временем удержания», которое равно отношению запасённой в плазме тепловой энергии к мощности потерь энергии (многие ошибочно полагают, что «время удержания» – это время, в течение которого в установке поддерживается горячая плазма, но это не так). При температуре смеси дейтерия и трития, равной 10 кэВ (примерно 110 000 000 градусов), нам нужно получить произведение числа частиц топлива в 1 см³ (т.е. концентрации плазмы) на время удержания (в секундах) не менее 10¹⁴. При этом неважно, будет ли у нас плазма с концентрацией 1014 см^-3 и временем удержания 1 с, или плазма с концентрацией 10²³ и время удержания 1 нс. Это критерий называется «критерием Лоусона».
Кроме критерия Лоусона, отвечающего за получение энергетически выгодной реакции, существует ещё критерий зажигания плазмы, который для дейтерий-тритиевой реакции примерно втрое больше критерия Лоусона. «Зажигание» означает, что той доли термоядерной энергии, что остаётся в плазме, будет хватать для поддержания необходимой температуры, и дополнительный нагрев плазмы больше не потребуется.

Z-пинч

Первым устройством, в котором планировалось получить управляемую термоядерную реакцию, стал так называемый Z-пинч. Эта установка в простейшем случае состоит всего из двух электродов, находящихся среде дейтерия (водорода-2) или смеси дейтерия и трития, и батареи высоковольтных импульсных конденсаторов. На первый взгляд кажется, что она позволяет получить сжатую плазму, разогретую до огромной температуры: именно то, что нужно для термоядерной реакции! Однако в жизни все оказалось, увы, далеко не так радужно. Плазменный жгут оказался неустойчивым: малейший его изгиб приводит к усилению магнитного поля с одной стороны и ослаблению с другой, возникающие силы еще больше увеличивают изгиб жгута — и вся плазма «вываливается» на боковую стенку камеры. Жгут неустойчив не только к изгибу, малейшее его утоньшение приводит к усилению в этой части магнитного поля, которое еще сильнее сжимает плазму, выдавливая ее в оставшийся объем жгута, пока жгут не будет окончательно «передавлен». Передавленная часть обладает большим электрическим сопротивлением, так что ток обрывается, магнитное поле исчезает, и вся плазма рассеивается.

Стабилизировать плазменный жгут удалось, наложив на него мощное внешнее магнитное поле, параллельное току, и поместив в толстый проводящий кожух (при перемещении плазмы перемещается и магнитное поле, что индуцирует в кожухе электрический ток, стремящийся вернуть плазму на место). Плазма перестала изгибаться и пережиматься, но до термоядерной реакции в сколько-нибудь серьезных масштабах все равно было далеко: плазма касается электродов и отдает им свое тепло.

Современные работы в области синтеза на Z-пинче предполагают еще один принцип создания термоядерной плазмы: ток протекает через трубку из плазмы вольфрама, которая создает мощное рентгеновское излучение, сжимающее и разогревающее капсулу с термоядерным топливом, находящуюся внутри плазменной трубки, подобно тому, как это происходит в термоядерной бомбе. Однако эти работы имеют чисто исследовательский характер (изучаются механизмы работы ядерного оружия), а выделение энергии в этом процессе все еще в миллионы раз меньше, чем потребление.

Пробкотрон, стелларатор, токамак

Другой вариант создания необходимых для реакции условий — так называемые открытые магнитные ловушки. Самая известная из них — «пробкотрон»: труба с продольным магнитным полем, которое усиливается на ее концах и ослабевает в середине. Увеличенное на концах поле создает «магнитную пробку» (откуда русское название), или «магнитное зеркало» (английское — mirror machine), которое удерживает плазму от выхода за пределы установки через торцы. Однако такое удержание неполное, часть заряженных частиц, движущихся по определенным траекториям, оказывается способной пройти через эти пробки. А в результате столкновений любая частица рано или поздно попадет на такую траекторию. Кроме того, плазма в пробкотроне оказалась еще и неустойчивой: если в каком-то месте небольшой участок плазмы удаляется от оси установки, возникают силы, выбрасывающие плазму на стенку камеры. Хотя базовая идея пробкотрона была значительно усовершенствована (что позволило уменьшить как неустойчивость плазмы, так и проницаемость пробок), к параметрам, необходимым для энергетически выгодного синтеза, на практике даже приблизиться не удалось.

Можно ли сделать так, чтобы плазма не уходила через «пробки»? Казалось бы, очевидное решение — свернуть плазму в кольцо. Однако тогда магнитное поле внутри кольца получается сильнее, чем снаружи, и плазма снова стремится уйти на стенку камеры. Выход из этой непростой ситуации тоже казался довольно очевидным: вместо кольца сделать «восьмерку», тогда на одном участке частица будет удаляться от оси установки, а на другом — возвращаться назад. Именно так ученые пришли к идее первого стелларатора. Но такую «восьмерку» нельзя сделать в одной плоскости, так что пришлось использовать третье измерение, изгибая магнитное поле во втором направлении, что тоже привело к постепенному уходу частиц от оси к стенке камеры.

Ситуация резко изменилась с созданием установок типа «токамак». Результаты, полученные на токамаке Т-3 во второй половине 1960-х годов, были столь ошеломляющими для того времени, что западные ученые приезжали в СССР со своим измерительным оборудованием, чтобы убедиться в параметрах плазмы самостоятельно. Реальность даже превзошла их ожидания.

В руках инерции

Помимо магнитного удержания существует и принципиально иной подход к термоядерному синтезу — инерциальное удержание. Если в первом случае мы стараемся долгое время удерживать плазму очень низкой концентрации (концентрация молекул в воздухе вокруг вас в сотни тысяч раз больше), то во втором — сжимаем плазму до огромной плотности, на порядок выше плотности самых тяжелых металлов, в расчете, что реакция успеет пройти за то короткое время, пока плазма не успела разлететься в стороны.

Первоначально, в 1960-х годах, планировалось использовать маленький шарик из замороженного термоядерного топлива, равномерно облучаемый со всех сторон множеством лазерных лучей. Поверхность шарика должна была моментально испариться и, равномерно расширяясь во все стороны, сжать и нагреть оставшуюся часть топлива. Однако на практике облучение оказалось недостаточно равномерным. Кроме того, часть энергии излучения передавалась во внутренние слои, вызывая их нагрев, что усложняло сжатие. В итоге шарик сжимался неравномерно и слабо.

Проблему неравномерности удалось решить, существенно изменив конструкцию мишени. Теперь шарик размещается внутри специальной небольшой металлической камеры (она называется «хольраум», от нем. hohlraum — полость) с отверстиями, через которые внутрь попадают лазерные лучи. Кроме того, используются кристаллы, конвертирующие лазерное излучение ИК-диапазона в ультрафиолетовое. Это УФ-излучение поглощается тончайшим слоем материала хольраума, который при этом нагревается до огромной температуры и излучает в области мягкого рентгена. В свою очередь, рентгеновское излучение поглощается тончайшим слоем на поверхности топливной капсулы (шарика с топливом). Это же позволило решить и проблему преждевременного нагрева внутренних слоев.

Однако мощность лазеров оказалась недостаточной для того, чтобы в реакцию успела вступить заметная часть топлива. Кроме того, эффективность лазеров была весьма мала, лишь около 1%. Чтобы синтез был энергетически выгодным при таком низком КПД лазеров, должно было прореагировать практически все сжатое топливо. При попытках заменить лазеры на пучки легких или тяжелых ионов, которые можно генерировать с куда большим КПД, ученые также столкнулись с массой проблем: легкие ионы отталкиваются друг от друга, что мешает их фокусировке, и тормозятся при столкновениях с остаточным газом в камере, а ускорителей тяжелых ионов с нужными параметрами создать не удалось.

Магнитные перспективы

Большинство надежд в области термоядерной энергетики сейчас связано с токамаками. Особенно после открытия у них режима с улучшенным удержанием. Токамак является одновременно и свернутым в кольцо Z-пинчем (по плазме протекает кольцевой электрический ток, создающий магнитное поле, необходимое для ее удержания), и последовательностью пробкотронов, собранных в кольцо и создающих «гофрированное» тороидальное магнитное поле. Кроме того, на тороидальное поле катушек и поле плазменного тока накладывается перпендикулярное плоскости тора поле, создаваемое несколькими отдельными катушками. Это дополнительное поле, называемое полоидальным, усиливает магнитное поле плазменного тока (также полоидальное) с внешней стороны тора и ослабляет его с внутренней стороны. Таким образом суммарное магнитное поле со всех сторон от плазменного жгута оказывается одинаковым, и его положение остается стабильным. Меняя это дополнительное поле, можно в определенных пределах перемещать плазменный жгут внутри вакуумной камеры.

Важной проблемой токамаков долгое время была необходимость создавать в плазме кольцевой ток. Для этого через центральное отверстие тора токамака пропускали магнитопровод, магнитный поток в котором непрерывно изменяли. Изменение магнитного потока рождает вихревое электрическое поле, которое ионизирует газ в вакуумной камере и поддерживает ток в получившейся плазме. Однако ток в плазме должен поддерживаться непрерывно, а это означает, что магнитный поток должен непрерывно изменяться в одном направлении. Это, разумеется, невозможно, так что ток в токамаках удавалось поддерживать лишь ограниченное время (от долей секунды до нескольких секунд). К счастью, был обнаружен так называемый бутстреп-ток, который возникает в плазме без внешнего вихревого поля. Кроме того, были разработаны методы нагрева плазмы, одновременно вызывающие в ней необходимый кольцевой ток. Совместно это дало потенциальную возможность сколь угодно длительного поддержания горячей плазмы. На практике рекорд на данный момент принадлежит токамаку Tore Supra, где плазма непрерывно «горела» более шести минут.

Второй тип установок удержания плазмы, с которым связаны большие надежды, — это стеллараторы. За прошедшие десятилетия конструкция стеллараторов кардинально изменилась. От первоначальной «восьмерки» почти ничего не осталось, и эти установки стали гораздо ближе к токамакам. Хотя пока время удержания у стеллараторов меньше, чем у токамаков (из-за менее эффективной H-моды), а себестоимость их постройки выше, поведение плазмы в них более спокойное, что означает более высокий ресурс первой внутренней стенки вакуумной камеры. Для коммерческого освоения термоядерного синтеза этот фактор представляет очень большое значение.

На первый взгляд, в качестве термоядерного топлива логичнее всего использовать чистый дейтерий: он стоит относительно дёшево и безопасен. Однако дейтерий с дейтерием реагирует в сотню раз менее охотно, чем с тритием. Это означает, что для работы реактора на смеси дейтерия и трития достаточно температуры 10 кэВ, а для работы на чистом дейтерии нужна температура более 50 кэВ. А чем выше температура – тем выше потери энергии. Поэтому как минимум первое время термоядерную энергетику планируется строить на дейтерий-тритиевом топливе. Тритий при этом будет нарабатываться в самом реакторе за счёт облучения образующимися в нём быстрыми нейтронами лития.
«Неправильные» нейтроны. В культовом фильме «9 дней одного года» главный герой, работая на термоядерной установке, получил серьёзную дозу нейтронного облучения. Однако позднее оказалось, что нейтроны эти рождены не в результате реакции синтеза. Это не выдумка режиссера, а реальный эффект, наблюдаемый в Z-пинчах. В момент обрыва электрического тока индуктивность плазмы приводит к генерации огромного напряжения – миллионы вольт. Отдельные ионы водорода, ускорившись в этом поле, способны буквально выбивать нейтроны из электродов. Поначалу это явление действительно было принято за верный признак протекания термоядерной реакции, но последующий анализ спектра энергий нейтронов показал, что они имеют иное происхождение.
Режим с улучшенным удержанием. H-мода токамака – это такой режим его работы, когда при большой мощности дополнительного нагрева потери плазмой энергии резко уменьшаются. Случайное открытие в 1982 году режима с улучшенным удержанием по своей значимости не уступает изобретению самого токамака. Общепринятой теории этого явления пока еще не существует, но это ничуть не мешает использовать его на практике. Все современные токамаки работают в этом режиме, так как он уменьшает потери более чем в два раза. Впоследствии подобный режим был обнаружен и на стеллараторах, что указывает на то, что это общее свойство тороидальных систем, однако на них удержание улучшается лишь примерно на 30%.
Нагрев плазмы. Существует три основных метода нагрева плазмы до термоядерных температур. Омический нагрев – это нагрев плазмы за счёт протекания через неё электрического тока. Этот метод наиболее эффективен на первых этапах, так как с ростом температуры у плазмы снижается электрическое сопротивление. Электромагнитный нагрев использует электромагнитные волны с частотой, совпадающей с частотой вращения вокруг магнитных силовых линий электронов или ионов. При инжекции быстрых нейтральных атомов создаётся поток отрицательных ионов, которые затем нейтрализуются, превращаясь в нейтральные атомы, способные проходить через магнитное поле в центр плазмы, чтобы передать свою энергию именно там.
А реакторы ли это? Тритий радиоактивен, а мощное нейтронное облучение от D-T реакции создаёт наведённую радиоактивность в элементах конструкции реактора. Приходится использовать роботов, что  усложняет работу. В то же время поведение плазмы обычного водорода или дейтерия весьма близко к поведению плазмы из смеси дейтерия и трития. Это привело к тому, что за всю историю лишь две термоядерные установки полноценно работали на смеси дейтерия и трития: токамаки TFTR и JET. На остальных установках даже дейтерий используется далеко не всегда. Так что название «термоядерная» в определении установки вовсе не означает, что в ней когда-либо реально происходили термоядерные реакции (а в тех, где происходят, почти всегда используют чистый дейтерий).
Гибридный реактор. D-T реакция рождает 14 МэВ нейтроны, которые могут делить даже обеднённый уран. Деление одного ядра урана сопровождается выделением примерно 200 МэВ энергии, что в десять с лишним раз превосходит энергию, выделяющуюся при синтезе. Так что уже существующие токамаки могли бы стать энергетически выгодными, если бы их окружили урановой оболочкой. Перед реакторами деления такие гибридные реакторы имели бы преимущество в невозможности развития в них неуправляемой цепной реакции. Кроме того, крайне интенсивные потоки нейтронов должны перерабатывать долгоживущие продукты деления урана в короткоживущие, что существенно снижает проблему захоронения отходов.

Инерциальные надежды

Инерциальный синтез тоже не стоит на месте. За десятки лет развития лазерной техники появились перспективы повысить КПД лазеров примерно в десять раз. А их мощность на практике удалось повысить в сотни и тысячи раз. Ведутся работы и над ускорителями тяжелых ионов с параметрами, пригодными для термоядерного применения. Кроме того, важнейшим фактором прогресса в области инерциального синтеза стала концепция «быстрого поджига». Она предполагает использование двух импульсов: один сжимает термоядерное топливо, а другой разогревает его небольшую часть. Предполагается, что начавшаяся в небольшой части топлива реакция впоследствии распространится дальше и охватит все топливо. Такой подход позволяет существенно снизить затраты энергии, а значит, сделать реакцию выгодной при меньшей доле прореагировавшего топлива.

Проблемы токамаков

Несмотря на прогресс установок иных типов, токамаки на данный момент все равно остаются вне конкуренции: если на двух токамаках (TFTR и JET) еще в 1990-х реально было получено выделение термоядерной энергии, приблизительно равное затратам энергии на нагрев плазмы (пусть такой режим и длился лишь около секунды), то на установках других типов ничего подобного добиться не удалось. Даже простое увеличение размеров токамаков приведет к осуществимости в них энергетически выгодного синтеза. Сейчас во Франции строится международный реактор ITER, который должен будет продемонстрировать это на практике.

Однако проблем хватает и у токамаков. ITER стоит миллиарды долларов, что неприемлемо для будущих коммерческих реакторов. Ни один реактор не работал непрерывно в течение даже нескольких часов, не говоря уж о неделях и месяцах, что опять же необходимо для промышленного применения. Пока нет уверенности, что материалы внутренней стенки вакуумной камеры смогут выдержать длительное воздействие плазмы.

Сделать проект менее затратным сможет концепция токамака с сильным полем. За счет увеличения поля в два-три раза планируется получить нужные параметры плазмы в относительно небольшой установке. На такой концепции, в частности, основан реактор Ignitor, который совместно с итальянскими коллегами сейчас начинают строить в подмосковном ТРИНИТИ (Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований). Если расчеты инженеров оправдаются, то при многократно меньшей по сравнению с ITER цене в этом реакторе удастся получить зажигание плазмы.

Вперед, к звездам!

Продукты термоядерной реакции разлетаются в разные стороны со скоростями, составляющими тысячи километров в секунду. Это делает возможным создание сверхэффективных ракетных двигателей. Удельный импульс у них будет выше, чем у лучших электрореактивных двигателей, а потребление энергии при этом может быть даже отрицательным (теоретически возможна выработка, а не потребление энергии). Более того, есть все основания полагать, что сделать термоядерный ракетный двигатель будет даже проще, чем наземный реактор: нет проблемы с созданием вакуума, с теплоизоляцией сверхпроводящих магнитов, нет ограничений по габаритам и т. д. Кроме того, выработка двигателем электроэнергии желательна, но вовсе не обязательна, достаточно, чтобы он не слишком много ее потреблял.

Концепцию электростатического удержания ионов легче всего понять на примере установки, называемой «фузором». Её основу составляет сферический сетчатый электрод, на который подаётся отрицательный потенциал. Ускоренные в отдельном ускорителе или полем самого центрального электрода ионы попадают внутрь его и удерживаются там электростатическим полем: если ион стремится вылететь наружу, поле электрода разворачивает его назад. Увы, вероятность столкновения иона с сеткой на много порядков выше, чем вероятность вступить в реакцию синтеза, что делает энергетически выгодную реакцию невозможной. Подобные установки нашли применение лишь в качестве источников нейтронов.
Стремясь совершить сенсационное открытие, многие учёные стремятся видеть синтез везде, где только можно. В прессе многократно возникали сообщения по поводу различных вариантов так называемого «холодного синтеза». Синтез обнаруживали в «пропитанных» дейтерием металлах при протекании через них электрического тока, при электролизе насыщенных дейтерием жидкостей, во время образования в них кавитационных пузырьков, а также в других случаях. Однако большинство из этих экспериментов не имели удовлетворительной воспроизводимости в других лабораториях, а их результаты практически всегда можно объяснить без использования синтеза.
Продолжая «славную традицию», начавшуюся с «философского камня», а затем превратившуюся в «вечный двигатель», многие современные мошенники предлагают уже сейчас купить у них «генератор холодного синтеза», «кавитационный реактор» и прочие «бестопливные генераторы»: про философский камень все уже забыли, в вечный двигатель не верят, а вот ядерный синтез сейчас звучит вполне убедительно. Но, увы, на самом деле таких источников энергии пока не существует (а когда их удастся создать, это будет во всех выпусках новостей). Так что знайте: если вам предлагают купить устройство, вырабатывающее энергию за счёт холодного ядерного синтеза, то вас пытаются просто «надуть»!

По предварительным оценкам, даже при современном уровне техники возможно создание термоядерного ракетного двигателя для полета к планетам Солнечной системы (при соответствующем финансировании). Освоение технологии таких двигателей в десятки раз повысит скорость пилотируемых полетов и даст возможность иметь на борту большие резервные запасы топлива, что позволит сделать полет на Марс не более сложным занятием, чем сейчас работа на МКС. Для автоматических станций потенциально станет доступной скорость в 10% от скорости света, что означает возможность отправки исследовательских зондов к ближайшим звездам и получение научных данных еще при жизни их создателей.

Наиболее проработанной в настоящее время считается концепция термоядерного ракетного двигателя на основе инерциального синтеза. При этом отличие двигателя от реактора заключается в магнитном поле, которое направляет заряженные продукты реакции в одну сторону. Второй вариант предполагает использование открытой ловушки, у которой одна из пробок намеренно ослаблена. Истекающая из нее плазма будет создавать реактивную силу.

Термоядерное будущее

Освоение термоядерного синтеза оказалось на много порядков сложнее, чем это казалось вначале. И хотя множество проблем уже решено, оставшихся хватит на несколько ближайших десятилетий напряженного труда тысяч ученых и инженеров. Но перспективы, которые открывают перед нами превращения изотопов водорода и гелия, столь велики, а проделанный путь уже столь значителен, что останавливаться на полпути не имеет смысла. Что бы ни говорили многочисленные скептики, будущее, безусловно, за синтезом.

Fission vs. Fusion — в чем разница? | Duke Energy

Примечание редактора: эта статья была первоначально опубликована 30 января 2013 г. Она была исправлена, обновлена ​​и переиздана.

НАСА

Внутри Солнца термоядерные реакции происходят при очень высоких температурах и колоссальном гравитационном давлении

Поднимите взгляд в течение дня, чтобы увидеть один из самых мощных примеров ядерного реактора: Солнце. Внутри Солнца реакции синтеза происходят при очень высоких температурах и огромных гравитационных давлениях.

Основой ядерной энергии является использование энергии атомов путем их расщепления, процесса, называемого делением, или их объединения, называемого синтезом. И деление, и синтез изменяют атомы для создания энергии, но в чем разница между ними?

Деление — термин, придуманный учеными Л. Мейтнер и Отто Фришем, назван в честь термина «бинарное деление» в биологии для описания клеточного деления. Так же, как делится клетка, при делении атом распадается на более мелкие частицы. Деление происходит, когда большой, несколько нестабильный изотоп (атомы с одинаковым количеством протонов, но разным количеством нейтронов) бомбардируется высокоскоростными частицами, обычно нейтронами. Эти нейтроны ускоряются, а затем врезаются в нестабильный изотоп, вызывая его деление или расщепление на более мелкие частицы. При этом нейтрон ускоряется и попадает в ядро-мишень, которым сегодня в большинстве ядерных энергетических реакторов является уран-235. Это расщепляет ядро-мишень и разбивает его на два меньших изотопа (продукты деления), три высокоскоростных нейтрона и большое количество энергии. Полученная энергия затем используется для нагрева воды в ядерных реакторах и, в конечном итоге, для производства электроэнергии. Выбрасываемые высокоскоростные нейтроны становятся снарядами, которые инициируют другие реакции деления или цепные реакции.

EIA

Деление ядер

Наоборот, синтез происходит, когда два маломассивных изотопа, обычно изотопов водорода, объединяются в условиях экстремального давления и температуры. Атомы трития и дейтерия (изотопы водорода, водорода-3 и водорода-2 соответственно) объединяются под экстремальным давлением и температурой, образуя нейтрон и изотоп гелия. Наряду с этим выделяется огромное количество энергии, в несколько раз превышающее количество, производимое при делении.

DOE

Ядерный синтез

Хотя деление используется в ядерных энергетических реакторах, поскольку им можно управлять, синтез еще не используется для производства энергии. Некоторые ученые считают, что возможности для этого есть. Термоядерный синтез предлагает привлекательную возможность, поскольку синтез создает меньше радиоактивного материала, чем деление, и имеет почти неограниченный запас топлива. Этим преимуществам противостоит сложность использования синтеза. Реакции синтеза нелегко контролировать, и создание необходимых условий для реакции синтеза обходится дорого. Тем не менее, продолжаются исследования способов более эффективного использования энергии синтеза, но исследования находятся на экспериментальной стадии, поскольку ученые продолжают работать над контролем ядерного синтеза, пытаясь создать термоядерный реактор для производства электроэнергии.

И деление, и синтез являются ядерными реакциями, производящими энергию, но эти процессы очень разные. Деление — это расщепление тяжелого нестабильного ядра на два более легких ядра, а слияние — это процесс, при котором два легких ядра объединяются вместе, высвобождая огромное количество энергии. Несмотря на различия, эти два процесса играют важную роль в прошлом, настоящем и будущем производства энергии.

Деление и синтез — в чем разница? | Duke Energy

Внутри Солнца термоядерные реакции происходят при очень высоких температурах и колоссальном гравитационном давлении

Внутри Солнца реакции синтеза происходят при очень высоких температурах и колоссальном гравитационном давлении

Основой ядерной энергии является использование энергии атомов. И деление, и синтез — это ядерные процессы, в ходе которых атомы изменяются для создания энергии, но в чем разница между ними? Проще говоря, деление — это деление одного атома на два, а слияние — это объединение двух более легких атомов в более крупный. Это противоположные процессы, а потому очень разные.

Слово деление означает «расщепление или расщепление на части» (Merriam-Webster Online, www.m-w.com). Ядерное деление высвобождает тепловую энергию за счет расщепления атомов. Удивительное открытие, что ядро ​​можно разделить, было основано на предсказании Альберта Эйнштейна о том, что масса может быть преобразована в энергию. В 1939 году ученый начал эксперименты, а год спустя Энрико Ферми построил первый ядерный реактор.

Деление ядер происходит, когда большой, несколько нестабильный изотоп (атомы с одинаковым количеством протонов, но разным количеством нейтронов) бомбардируется высокоскоростными частицами, обычно нейтронами. Эти нейтроны ускоряются, а затем врезаются в нестабильный изотоп, вызывая его деление или расщепление на более мелкие частицы. При этом нейтрон ускоряется и попадает в ядро-мишень, которым сегодня в большинстве ядерных энергетических реакторов является уран-235. Это расщепляет ядро-мишень и разбивает его на два меньших изотопа (продукты деления), три высокоскоростных нейтрона и большое количество энергии.

Полученная энергия затем используется для нагрева воды в ядерных реакторах и, в конечном итоге, для производства электроэнергии. Выбрасываемые высокоскоростные нейтроны становятся снарядами, которые инициируют другие реакции деления или цепные реакции.

Слово сплав означает «слияние отдельных элементов в единое целое». Ядерный синтез относится к «объединению атомных ядер с образованием более тяжелых ядер, что приводит к высвобождению огромного количества энергии» (Merriam-Webster Online, www.m-w.com). Синтез происходит, когда два маломассивных изотопа, обычно изотопов водорода, объединяются в условиях экстремального давления и температуры.

Слияние — это то, что питает солнце. Атомы трития и дейтерия (изотопы водорода, водорода-3 и водорода-2 соответственно) объединяются под экстремальным давлением и температурой, образуя нейтрон и изотоп гелия. Вместе с этим выделяется огромное количество энергии, в несколько раз превышающее количество, производимое при делении.

Ученые продолжают работать над управлением ядерным синтезом, пытаясь создать термоядерный реактор для производства электроэнергии. Некоторые ученые считают, что у такого источника энергии есть возможности, поскольку синтез создает меньше радиоактивного материала, чем деление, и имеет почти неограниченный запас топлива.