Архив   Авторы  

С плазменным приветом
Наука

Главная научная задача столетия определена четко:взять под контроль четвертое состояние вещества - плазму. Если это удастся, человечество сможет забытьпро дефицит энергоресурсов

Во французском Провансе, в окрестностях города Кадараш, близится начало реализации проекта, обещающего создать безопасную альтернативу атомной энергетике. Сборка первого термоядерного реактора ITER (ИТЭР - Международный экспериментальный термоядерный реактор) обойдется участникам - Евросоюзу, Индии, Китаю, США, Японии, Южной Корее и России - недешево, в 5-6 миллиардов евро. Если работа пойдет по плану, то в течение десяти лет на основе ITER построят первую демонстрационную электростанцию. Чтобы многомиллиардные вложения в проект действительно принесли человечеству ощутимую пользу, ученые должны решить ряд задач, и прежде всего научиться управлять четвертым состоянием вещества - плазмой. Только в этом случае термоядерная энергетика получит шанс стать рентабельной. Гонка на результат уже началась. Российские физики раскрыли "Итогам" ее подробности.

Стабилизируй это

Первый и самый важный вопрос, над которым ученые ломают головы: "Как взять термоядерную реакцию под контроль?" Если цепная реакция деления идет сама собой много лет подряд - главное, ее запустить, - то с термоядом не все так просто. Он нестабилен и прекращается при малейшем изменении среды, перепадах давления, температуры. В АЭС используют уран, по которому ударяют потоком быстрых нейтронов. Вылетающие из ядра частицы бьют в свою очередь по новым ядрам - получается цепная реакция. Она стремительно нарастает, контролировать ее непросто, а остановить в несколько секунд невозможно. Термояд же действует с точностью до наоборот. При реакции ядра разных элементов не делятся, а происходит их слияние. При этом также выделяется энергия. Но если реакция выходит из-под контроля, параметры плазмы начинают хаотично меняться, и процесс прекращается.

Как работает термоядерный реактор? В одно целое сливаются ядра дейтерия (тяжелого изотопа водорода) и ядра еще более тяжелого изотопа водорода - трития. В результате после огромного выброса энергии образуется гелий4. Инертный газ, которым надувают воздушные шарики. Это на бумаге. Но как на практике запустить реакцию? Сегодня дейтерий добывают из так называемой тяжелой воды - создать ее в лаборатории нетрудно. А вот тритий получить сложнее - его добывают из элемента гелий3 или из лития6.

Следующий шаг - заставить изотопы дейтерия и трития слиться в единое целое. На практике рабочая температура термоядерного реактора для этого должна быть 100-150 миллионов градусов, что даже выше солнечной. Плотность же в водородной смеси нагнетается до такого уровня, что у ядер "обдираются" электронные оболочки, и они превращаются в плазму, в четвертое состояние вещества. Но и это еще не все. Ведь после того, как достигнута нужная температура, нужно не дать водородной смеси "сбежать" из состояния плазмы, вернувшись к своему "земному" газообразному состоянию. На удержание плазмы в рабочем состоянии может уйти столько же энергии, сколько расходуется в процессе синтеза. Вот почему, не научившись стабилизировать плазму, невозможно сделать термоядерный проект рентабельным. Без этого он будет всего лишь дорогой научной игрушкой.

Токамаки всех стран, объединяйтесь!

"Равновесие может быть разным, - говорит директор Института ядерного синтеза РНЦ "Курчатовский институт" академик РАН Валентин Смирнов. - Есть устойчивое, как у игрушки ванька-встанька, а есть неустойчивое, как у карточного домика - чуть дунешь, и рухнет. Плазма пока напоминает карточный домик". Проблема ее контроля оказалась настолько сложной, что физики поначалу пытались придумать что-то попроще "искусственного Солнца". На рубеже веков из США прилетело известие о том, что ученым удалось получить холодный термояд буквально в стакане воды. Однако сенсация оказалась дутой. Различные исследователи, в том числе и российские, пытались поставить на службу энергетике импульсный термояд. Они взрывали плазму маленькими порциями и от каждого импульса получали энергию. Поступали так до тех пор, пока не задумались: если от серии микровзрывов опытная установка рассыпается за полгода, то что же будет с промышленным реактором?

Многочисленные эксперименты привели научное сообщество к выводу: самое эффективное - это когда термоядерный реактор подобен "русской печке" или "газовой горелке", где плазма, находящаяся в мощном магнитном поле, горит ровным и контролируемым пламенем. Сейчас известно несколько способов экспериментального воздействия на плазму: например, можно использовать ионно-циклотронные волны или магнитное поле. Эти методы могут менять мощность энергоотдачи плазмы. Ученые сегодня ищут оптимальный режим ее магнитно-гидродинамической устойчивости. Это означает, что надо подобрать оптимальное соотношение затрат на погашение неконтролируемых волн (флуктуаций) выхода энергии.

Впервые этот подход реализовали в РНЦ "Курчатовский институт", где построили первую в мире экспериментальную установку, которой дали название токамак (тороидальная опытная камера с магнитными катушками), прародитель ITER. Это огромное сооружение, где ученые переходят с одного уровня на другой, карабкаясь по отвесной металлической лестнице. Опутанный множеством разнокалиберных проводов, увешанный электронными табло и датчиками, оснащенный всевозможными шлангами и трубами, окруженный несколькими рядами барьеров из металлической сетки с тяжелыми дверьми, токамак15 напоминает космический корабль из научно-фантастического фильма. Установка внушает глубокое уважение и благоговейный ужас одновременно.

Между тем ученые идут дальше. Одна из ярчайших "неустойчивостей" плазмы напоминает солнечные протуберанцы. Подобно им периодические выбросы плазмы срываются с рабочего поля, и следствием этого становится, во-первых, нарушение реакции термоядерного синтеза, во-вторых, охлаждение плазмы, в-третьих, разрушение внутренних стенок оборудования. Как бороться с "протуберанцами"? В Институте ядерного синтеза полагают, что их появления можно избежать с помощью особого магнитно-резонансного поля. К аналогичной идее пришли исследователи американской компании General Atomics под руководством профессора Тодда Эванса. Свою идею они протестировали на оборудовании DIII-D National Fusion Facility и представили на одной из недавних международных конференций по ядерной физике. Американцам удалось погасить краевые выбросы плазмы - те самые "протуберанцы". Однако данная гипотеза нуждается в экспериментальной проверке. Дальнейшая судьба метода дополнительного магнитно-резонансного поля будет зависеть от результатов опытов, которые пройдут на базе ITER.

Курс - на солнечную энергию

Испытания ITER могут принести и совсем неожиданные результаты. "Мы еще очень мало знаем о плазме, о том, почему она ведет себя именно так", - говорит начальник отдела токамаков Института ядерного синтеза РНЦ "Курчатовский институт" Геннадий Ноткин. Например, ученые не исключают, что проблема "протуберанцев" может быть решена совсем по-другому. Исследователи хотят проверить, не связано ли появление такого эффекта с побочными продуктами реакции. Кстати, 10 процентов российского участия в проекте, которые предусматриваются в международном соглашении по ITER, наша страна будет "отрабатывать", поставляя на реактор сверхпроводящие магнитные катушки, а также диагностики и различные модули.

Одна из интереснейших проблем, которая может быть решена в ходе экспериментов на базе ITER, - это проблема удержания альфа-частиц, образовавшихся в результате реакции ядер дейтерия и трития. Дело в том, что концентрация электронов, а значит, и ионов, в плазме токамака не должна превышать некоторой предельной величины. Если альфа-частицы не будут уходить из плазмы, то это приведет к необходимости уменьшения "подачи" дейтерия и трития, что снизит энергетический выход реакции. В этой связи плазму физики-термоядерщики ассоциируют с печкой. Если по ходу ее горения не убирать золу, то в какой-то момент не будет места для дров. Огонь придется загасить, золу убрать и затопить печку снова. Ядра гелия играют роль золы в токамаке-реакторе, и проблема их удаления - одна из важнейших в реализации стационарного режима работы реактора. И только если мощность реакции синтеза в десять раз превзойдет ту, которая потребуется на поддержание плазмы, можно будет говорить о том, что научная цель проекта достигнута.

При всех сложностях термоядерного синтеза физики убеждены, что именно за ним будущее. "Термоядерный реактор хорош тем, - говорит Валентин Смирнов, - что он исключает возможность взрыва. Потому что как только температурный режим плазмы "зашкаливает", она касается стенок оборудования и немедленно охлаждается, выходит из своего состояния. Та самая неустойчивость плазмы, с которой борются физики всего мира, одновременно является и механизмом внутренней безопасности, предусмотренным самой природой".

Если очень постараться и все-таки взять термоядерную реакцию под контроль, она окажется в пять раз эффективнее атомной энергии. Ведь теплотворная способность одного килограмма термоядерного топлива по весовым параметрам в пять раз выше, чем у урана. Так что ученым явно есть за что бороться! Физики любят приводить такой пример: ведро тяжелой воды дает столько же энергии, как и 300 литров бензина. Остается дело за агрегатом, куда эту "воду" можно залить...

При участии Аллы Астаховой

Анна Гаганова
Добавить в:  Memori  |  BobrDobr  |  Mister Wong  |  MoeMesto  |  Del.Icio.Us  |  Google Bookmarks  |  News2.ru  |  NewsLand.ru

Политика и экономика

Что почем
Те, которые...

Общество и наука

Телеграф
Культурно выражаясь
Междометия
Спецпроект

Дело

Бизнес-климат
Загранштучки

Автомобили

Новости
Честно говоря

Искусство и культура

Спорт

Парадокс

Анекдоты читателей

Анекдоты читателей
Яндекс цитирования NOMOBILE.RU Семь Дней НТВ+ НТВ НТВ-Кино City-FM

Copyright © Журнал "Итоги"
Эл. почта: itogi@7days.ru

Редакция не имеет возможности вступать в переписку, а также рецензировать и возвращать не заказанные ею рукописи и иллюстрации. Редакция не несет ответственности за содержание рекламных материалов. При перепечатке материалов и использовании их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, а также в Интернете, ссылка на "Итоги" обязательна.

Согласно ФЗ от 29.12.2010 №436-ФЗ сайт ITOGI.RU относится к категории информационной продукции для детей, достигших возраста шестнадцати лет.

Партнер Рамблера