Термоядерный синтез

Ещё одна группа учёных заявила о том, что ей удалось провести в лабораторных условиях реакцию холодного ядерного синтеза. Заслуженный профессор в отставке Йосиаки Арата (professor emeritus Yoshiaki Arata) из университета Осаки (Osaka University) и его китайский коллега Юэчан Чжан (Yue-Chang Zhang) из Шанхайского университета (Shanghai Jiao Tong University) представили результаты эксперимента, в ходе которого было зафиксировано не предусмотренное известными законами выделение энергии. По крайней мере так утверждают авторы опыта.

Напомним, что со времён печально известного эксперимента в 1989 году, о котором мы уже писали, возможность ядерного синтеза – получения из более лёгкого водорода более тяжёлого гелия, сопровождаемое выделением огромного количества энергии, – для очень небольшой группы физиков стало чем-то вроде Святого Грааля.

А для всех остальных – псевдонаучной фантастикой. Тем более что одним из активных пропагандистов этого гипотетического источника энергии был знаменитый писатель Артур Кларк.

Считается, что синтез возможен только термоядерный, то есть при температуре в миллионы градусов.

Более того, давление в естественном термоядерном реакторе – в Солнце – столь велико, что одной только его температуры (а это 10-15 миллионов градусов) для "земной" термоядерной реакции не хватит. Именно поэтому создаются, например, сверхмощные лазеры, способные нагревать вещество до ещё более горячего состояния – около 100 миллионов градусов.

На этом фоне робкие попытки отдельных энтузиастов холодного синтеза выглядят в лучшем случае как заплыв против течения. Проблема в том, что нет никакого общепризнанного теоретического обоснования такой реакции, в то время как для термояда она существует, так же как существовала ранее для "обычной" ядерной реакции – дело было лишь за техническим воплощением.

Что же получилось у профессора Араты? Этот достаточно известный японский физик поместил в специальную ячейку палладий и оксид циркония, а после этого под сверхвысоким давлением "закачал" туда тяжёлый водород – дейтерий.



Смесь внутри ячейки абсорбировала дейтерий, и в результате взаимодействия получился некий сверхплотный pynco deuterium – мы не рискнули перевести этот японский термин (иллюстрация с сайта lenr-canr.org).

В полученной палладий-цирконий-дейтериевой "плазме" ядра расположены столь близко друг к другу, что, по словам авторов эксперимента, началась реакция холодного синтеза с выделением гелия и энергии.

Заключение о том, что реакция в действительности состоялась, учёные сделали на основании замеров температуры внутри ячейки. После ввода дейтерия она поднялась с комнатной до 70 градусов по Цельсию. После того как подача газа была отключёна, температура внутри ячейки оставалась выше комнатной ещё в течение 50 часов.

Именно последний замер позволил сделать заключение — "внутри колбочки" происходит реакция холодного синтеза.

Происходила ли она на самом деле? Какой-то процесс, по всей видимости, в ходе эксперимента протекал, поскольку химическим путём новый элемент (в данном случае гелий) возникнуть не может. Большинство физиков считает, что это, конечно, не пресловутый холодный синтез.

Но ведь что-то происходит! Выдвигаются разные предположения. В частности некоторые учёные говорят, что такая реакция может быть обусловлена свойствами кристаллической решётки палладия, другие – некими квантовыми эффектами при взаимодействии типа "диполь-диполь" (между атомами дейтерия и веществом в ячейке).

В общем, теорию ещё предстоит подтянуть.

Что в результатах эксперимента смущает априори, так это отсутствие информации о нейтронном излучении. А ведь зафиксировать эти частицы для исследователей не составляет труда.

То есть, помимо замеров температуры, пока нет ничего конкретного. По словам Джеда Ротуэлла (Jed Rothwell), участника проекта "Ядерные реакции низких энергий" (Low Energy Nuclear Reactions), профессор Арата "провёл три дополнительных замера", но детальных данных пока нет. Также он сообщил, что японский учёный не предоставил никаких данных о настройках измерительных приборов – а ведь это та самая "калибровка", которая в 1989 году превратила "сенсационные результаты" чуть ли не в фальсификацию.

Но все эти сомнения не будут иметь никакого значения, если энергия "на выходе" этого… процесса, будет превышать все затраты "на входе". Если это действительно так, то кого волнует, "холодный" это синтез или вообще не синтез. Человечество устроит любой источник доступной энергии.

Информация очень интересна.
Если эти научные умы действительно это сделали и удастся довести проект до коммерческого релиза то кувейтским шейхам останется только одно, повесится на ближайшей пальме.

эээ ... чет из описания опыта в статье )) все сие мне больше напомнило нагревание трубки велосипедного насоса, когда интенсивно накачиваешь колесо - чем синтез ))

Рядом с электродом помещалась пластинка пластика CR-39. Этот материал может быть использован для регистрации нейтронов, обладающих достаточно высокой энергией: элементарные частицы оставляют на его поверхности выемки.

Эксперимент продолжался в течение двух-трех недель, после чего физики изучали поверхность пластинок при помощи микроскопа. В результате исследователям удалось обнаружить "тройные" следы (см. рисунок), то есть три выемки, расположенные достаточно близко друг от друга. Физики считают, что эти следы появились в результате воздействия альфа-частиц, возникших после столкновения высокоэнергетических нейтронов с атомами пластика. В контрольном опыте, проведенном с обычной водой, ничего подобного обнаружено не было.

Именно регистрацию подобных нейтронов ученые приводят в качестве доказательства протекания в аппарате для электролиза термоядерных реакций (при обычных химических реакциях высокоэнергетические нейтроны не образуются).

Физики считают, что возможным объяснением этого феномена может служить реакция холодного термоядерного синтеза (большинство ученых со скептицизмом относится к возможности подобной реакции, о чем Лента.Ру уже подробно писала). Они полагают, что во время опыта на катоде ионы дейтерия сближаются на достаточное расстояние для образования трития - еще одного изотопа водорода. После этого тритий сливается с дейтерием в палладиевой матрице с выделением энергии (в виде излучения) и высокоэнергетического нейтрона.

Экспериментальная часть работы была воспринята специалистами положительно. Однако многие физики скептически отнеслись к заявлению о наблюдении в лаборатории именно термоядерного синтеза. Специалисты полагают, что поток высокоэнергетических нейтронов имеет другую природу.

Напомним, что недавно ученый из университета Пердью Рузи Талейархан (Rusi Taleyarkhan) был лишен звания профессора за фальсификацию результатов по холодному термоядерному синтезу. В статье, опубликованной в журнале Science, ученый утверждал, что подобная реакция возникает в результате схлопывания пузырьков внутри особой жидкости (так называемое явление кавитации), которые образуются при пропускании через нее акустических волн.

Много энергии из ничего

Термоядерным синтезом называется реакция слияния ядер двух легких элементов с образованием ядра более тяжелого. Протекание этой реакции сопровождается выделением колоссального количества энергии. Образование ядра нового, более тяжелого элемента сопровождается перегруппировкой протонов и нейтронов, составляющих ядра легких элементов. При этом рвутся очень прочные связи, удерживающие компоненты ядер вместе. Именно на высвобождающуюся энергию этих связей возлагают надежды сторонники перехода от традиционной энергетики к термоядерной.

Почему человечество до сих пор не отказалось от сжигания угля и строительства плотин? Причина такого консерватизма проста: для того чтобы заставить ядра сблизиться на достаточное для протекание реакции расстояние, необходимо затратить больше энергии, чем выделяется при термоядерном синтезе. Ядра реагирующих элементов заряжены положительно, и как все одноименно заряженные тела, они стремятся оттолкнуться друг от друга. Заветная реакция слияния ядер возможна только после того, как удастся преодолеть силы отталкивания и сблизить ядра совсем "вплотную". Другими словами, необходимо приложить грубую силу - как можно больше сдавить и/или нагреть реагирующие вещества.

Физики подсчитали, что пороговым значением температуры для начала термоядерного синтеза является температура в 100 миллионов градусов Цельсия. Это приблизительно в десять раз больше, чем температура внутри Солнца. В таких условиях вещества переходят в состояние плазмы - полностью или частично ионизованного газа. Плазма является чрезвычайно неустойчивым состоянием. Стоит ей коснуться чего-то холодного (например, стенок сосуда, где она находится), как составляющее ее вещество переходит в "обычное" газообразное состояние.

Чтобы предотвратить контакт плазмы с окружающими ее предметами, ученые разработали несколько способов ее удержания. Наиболее эффективным оказался токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). Теоретические основы токамаков были разработаны в 1951 году Игорем Таммом и Андреем Сахаровым. Токамак представляет собой магнитный "бублик" (или тороидальный магнит), внутри которого плазменный "шнур", удерживаемый магнитным полем, левитирует, не касаясь стенок "бублика".

Объем работ

Именно токамак должен стать основой первого в мире экспериментального термоядерного реактора (International Tokamak Experimental Reactor - ITER). Дейтерий-тритиевую плазму в огромном токамаке ITER будут дополнительно нагревать, воздействуя на нее высокочастотным излучением или обстреливая частицами высокой энергии. Все это должно будет "зажечь" плазму, то есть запустить в ней процесс термоядерного синтеза. В идеале энергетический выход реакции должен оказаться больше, чем затраты энергии на ее запуск и поддержание. Изучив происходящие в плазме процессы и поняв, как приспособить термояд для промышленного использования, страны-участницы собирались свернуть проект ITER и перейти к строительству токамаков для массового применения.

17 мая 2009 года в Физическом институте имени Лебедева РАН (ФИАН) состоялась лекция председателя совета ITER, физика Кристофера Ллевеллин-Смита. Лекция была посвящена энергетическим проблемам человечества, перспективам использования термоядерной энергетики и проекту ITER. Текст лекции можно найти здесь. -- elementy.ru/lib/430807

Идея строительства ITER родилась в 80-е годы прошлого века. На участие в проекте ITER подписались множество стран: Индия, Китай, Корея, Казахстан, США, Канада Япония, страны Евросоюза. Предполагалось, что бюджет проекта не превысит пяти миллиардов долларов США. Однако по мере работы над проектом его стоимость росла. Росло и число требующих решения технических проблем.

Для промышленного использования реакции термоядерного синтеза должны идти непрерывно в течение длительного времени. Чтобы добиться протекания реакции в требуемом масштабе, необходимо поднять давление в плазме. Увеличение давления в плазме, в свою очередь, вызывает в ней процессы, отрицательно сказывающиеся на устойчивости этого состояния вещества.

Еще одной проблемой, мешающей полноценному изучению плазмы, является несовершенство материалов, из которых изготовлен тор ("бублик") токамака. В ходе реакций термоядерного синтеза во внутренние стенки тора постоянно летят высокоэнергетические нейтроны. Большинство веществ не выдерживают такой бомбардировки, а промышленный термоядерный реактор должен работать многие годы. В качестве перспективных материалов для изготовления стен рабочей камеры реактора рассматриваются, например, высокопрочная композитная керамика. Кроме того, совсем недавно физики, работающие над проектом ITER, сообщили о создании стали, которая показывает хорошую устойчивость к воздействию нейтронов.

Однако в настоящий момент все разработки ученых являются слишком сырыми для практического применения. На доводку идей требуются дополнительные средства. К лету 2008 года бюджет проекта вырос на 30 процентов по сравнению с первоначальным. По другим оценкам, стоимость работ по созданию реактора возросла вдвое. Точно оценить, сколько денег необходимо потратить на строительство ITER, не представляется возможным. Каждое из государств, участвующих в проекте, ведет собственную бухгалтерию. По выражению Ника Лопеса Кардозо (Niek Lopes Cardozo), вице-президента европейской организации, курирующей проект ITER, "создание реактора напоминает строительство МКС, с той разницей, что все участвующие в проекте космические агентства также создаются по ходу дела".

Необходимость дополнительных затрат охладила энтузиазм многих участников проекта. Например, США в 2008 году вообще отказались финансировать все дальнейшие разработки, связанные с ITER. Если мировая рецессия усугубится, за Штатами могут последовать и другие страны.

Государства, которые пока остались тверды в своем намерении приручить термоядерную энергию, вынуждены сокращать расходы. В конце мая появилась новость, что участники проекта решили на первом этапе построить упрощенную версию реактора, которая не позволит реализовать все задумки ученых.

Лишний элемент

Для того чтобы опробовать новую, хоть и очень перспективную технологию, необходимо потратить много денег. В современном мире государства выделяют много денег на науку лишь тогда, когда в остальных "насущных" областях жизни все благополучно. Под благополучием подразумевается удовлетворение основных потребностей граждан. Потребности удовлетворяются за счет промышленности. Чтобы промышленное производство обеспечивало высокий уровень жизни, оно должно потреблять много энергии. Таким образом, в обозримом будущем люди вряд ли откажутся от сжигания углеводородов, ГЭС и АЭС. ТЭЦ загрязняют атмосферу, ГЭС разрушают экологию рек, АЭС производят радиоактивные отходы, а запасы угля, нефти и газа тают с удручающей скоростью. Как найти выход из этого замкнутого круга, пока непонятно.

Ирина Якутенко

Сайты по теме
ITER _www.iter.org/default.aspx

Идея строительства ITER появилась в 80-е годы прошлого века. На участие в проекте подписалось множество стран, в том числе, США, Россия и страны Евросоюза. Изначально предполагалось, что стоимость проекта составит около 5 миллиардов евро, однако по мере работы эта цифра удвоилась. Дата начала строительства реактора постоянно отодвигалась.

В середине октября 2009 года участники проекта назначили ее на 2010 год. На съезде, где было принято это решение, начало эксплуатации реактора было намечено на 2018 год. Не вызовет ли перенос сроков запуска реактора также сдвиг даты начала строительства, пока не сообщается.

Одной из основных трудностей при разработке подходов к проведению управляемых термоядерных реакций является необходимость поддерживать в стабильном состоянии плазму - ионизированный газ. Именно в таком состоянии находится вещество при температурах, необходимых для запуска термоядерных реакций. На сегодняшний день наиболее перспективным считается использование токамаков - магнитов тороидальной формы. Токамаки должны стать основной экспериментального реактора ITER, строительством которого будут заниматься ученые из множества стран (хотя в последнее время будущее этого проекта становится все более туманным).

Авторы новой работы решили использовать совсем другой подход. Ученые задействованы в эксперименте под названием Levitated Dipole Experiment - LDX (это можно перевести как эксперимент с использованием левитирующего диполя). Для создания установки LDX физики использовали свои знания о взаимодействии плазмы с магнитными полями планет. При помощи сверхпроводящего магнита, "подвешенного" в пространстве за счет работы другого магнита, исследователи создали магнитное поле, по своим характеристикам напоминающее магнитное поле Земли (левитация необходима для того, чтобы избежать искажений формы поля).

Вокруг магнита расположена внешняя камера, в которой находится нагретая до 10 миллионов градусов Цельсия плазма. То есть, в отличие от установок с токамаками, плазменный шнур расположен снаружи от магнита. В созданной учеными конструкции возмущения, возникающие в плазме, дополнительно "сближают" атомы газа. При использовании других подходов они, напротив, "расталкивают" частицы плазмы. Подобную "концентрацию" плазмы астрономы фиксировали при наблюдениях магнитосферы Земли или Юпитера.

Несмотря на первый успех саму реакцию синтеза ученым пока запустить не удалось. Более того, для дальнейшей работы на LDX физикам необходимо создать систему более точного, чем сейчас, измерения температуры плазмы - критического параметра запуска термоядерного синтеза.

Это не первая альтернатива "классическим" подходам к запуску реакций термоядерного синтеза. В прошлом году General Fusion заявила о создании реактора, в котором слияние ядер должно запускаться под воздействием звуковых волн.

Около 45 процентов расхода возьмут на себя страны Евросоюза (помимо них в строительстве задействованы США, Россия, Китай, Индия, Япония и Южная Корея). Во время переговоров представители ЕС настаивали на дальнейшем продлении сроков строительства, однако в итоге было принято решение завершить создание реактора в 2019 году.

Идея строительства экспериментального термоядерного реактора появилась в 80-х годах прошлого века. При помощи ITER ученые рассчитывают исследовать технологию термоядерного синтеза и в идеале приспособить ее для промышленного использования. Реакции термоядерного синтеза сопровождаются колоссальным выходом энергии, однако в настоящее время энергозатраты на запуск и поддержание реакции намного превосходит выход от нее.

По словам источников, близких к проекту, некоторые европейские страны уже начали рассматривать планы выхода из проекта, даже несмотря на значительные отступные. Если это произойдет, строительство ITER может быть отложено на неопределенный срок. Неевропейские участники проекта могут отказаться участвовать во встречах, посвященных ITER, до тех пор, пока "должники" не найдут необходимые средства.

Возможным решением для стран Европы может стать заем в Европейском инвестиционном банке, однако в долгосрочной перспективе этот путь неэффективен.

Стоимость проекта постоянно растет - если еще в 2006 году она составляла 5 миллиардов евро, то сейчас эксперты оценивают необходимые работы в 15 миллиардов евро, при том, что проектируемый размер реактора был уменьшен вдвое. Европа должна внести 7,2 миллиарда евро.

Идея создания ITER родилась в 80-х годах прошлого века. Термоядерный синтез - процесс слияния ядер легких элементов с получением ядер более тяжелых - в перспективе может использоваться для получения огромного количества энергии. Однако пока ученые тратят гораздо больше энергии на запуск реакции. ITER нужен как раз для того, чтобы специалисты могли изучить процессы термоядерного синтеза. В 2009 году планировалось, что строительство будет начато в 2010 году, однако позже дату старта работ перенесли на 2019 год.

Прошедшая в Кадараше встреча также стала первым официальным рабочим днем для нового директора проекта, японского физика Осаму Мотодзима (Osamu Motojima). До него проектом с 2005 года руководил японец Канаме Икеда (Kaname Ikeda), который пожелал оставить пост сразу после утверждения бюджета и сроков строительства.

Термоядерный реактор ITER является совместным проектом государств Евросоюза, Швейцарии, Японии, США, России, Южной Кореи, Китая и Индии. Идея создания ITER рассматривается с 80-х годов прошлого века, однако из-за финансовых и технических сложностей стоимость проекта все время растет, а дата начала строительства постоянно откладывается. В 2009 году специалисты рассчитывали, что работы по созданию реактора начнутся в 2010 году. Позже эту дату передвинули, а в качестве времени запуска реактора назывался сначала 2018, а потом 2019 год.

Реакции термоядерного синтеза - это реакции слияния ядер легких изотопов с образованием ядра более тяжелого, которые сопровождаются огромным выбросом энергии. В теории в термоядерных реакторах можно получать много энергии с низкими затратами, но на данный момент ученые тратят намного больше энергии и денег на запуск и поддержание реакции синтеза.

Естественным способом синтеза было бы ускорение ядер одного типа и бомбардировка ими мишени, выполненной из второго изотопа. Если, однако, энергию планируется получать в промышленных масштабах, эта схема не сработает, так как сечения атомных столкновений на много порядков превосходят сечения ядерных реакций. Кинетическая энергия ядер будет расходоваться на ионизацию и возбуждение атомов мишени, а вероятность реализации синтеза окажется ничтожно малой. В результате энергия, затраченная на ускорение, превысит энергетический выход полезной реакции.

Для того чтобы исключить влияние процессов ионизации и возбуждения, столкновение проводят в веществе, которое находится в состоянии полностью ионизованной плазмы. Основным критерием «практичности» здесь становится критерий Лоусона, определяющий минимальную частоту реакций синтеза, достаточную для их устойчивого поддержания в среде. Его смысл сводится к тому, что с достижением температуры запуска реакции нужно выдерживать некое соотношение плотности частиц и времени их удержания в объёме, обеспечивающем эту плотность.

Таким образом, синтез можно зажечь при меньшей концентрации частиц за счёт более длительного удержания плазмы, и здесь физикам должны помочь магнитные ловушки — токамаки (тороидальные камеры с магнитными катушками). Сооружение токамака станет основным этапом международного проекта ITER, экспериментального термоядерного реактора, плазму на котором планируют получить в 2019 году.

ИУТС имеет обратный принцип действия: пожертвовав временем удержания плазмы, учёные пытаются увеличить плотность частиц в ней и спланировать опыт так, чтобы значительная часть термоядерного топлива сгорела ещё до его разлёта. Эта схема будет работать, если дейтерий-тритиевую смесь в конденсированном (замороженном) состоянии практически мгновенно нагреть до сверхвысокой температуры.

В ИУТС-реакторе, как предполагается, будут использоваться сферические мишени с оболочкой, поглощающей подаваемую извне энергию. Вложение энергии должно приводить к испарению и быстрому истечению вещества (абляции) с поверхности сферы. Взрывной процесс абляции даст направленную внутрь ударную волну которая сожмёт и нагреет топливо, находящееся в центральной части мишени, до термоядерных параметров, после чего горение начнёт распространяться из центра к периферии.

Закачивать энергию в мишень можно разными способами, и проектировщики NIF выбрали один из наиболее очевидных — лазерное воздействие. При этом 192 лазерных пучка будут направлены не на саму сферу с бериллиевой оболочкой и дейтерий-тритиевым наполнителем, а на металлический цилиндр, в котором она находится. Последний должен нагреваться и отдавать полученную энергию в виде рентгеновского излучения, а оно уже будет взаимодействовать с мишенью.

Сейчас сотрудники NIF занимаются тестированием установки. В последних опытах они оценили условия, возникающие при облучении золотых цилиндров диаметром в 3,55 мм и высотой в 6,40 мм. Внутри них находились пластиковые макеты реальных мишеней, заполненные гелием.

Сравнив данные измерений с теоретическими расчётами, исследователи установили, что эффективность преобразования лазерного излучения в рентгеновское доходит до 90%, а радиационная температура цилиндров превышает 300 эВ (3,6 млн ˚C). Сфера сжималась равномерно, с уменьшением диаметра от 2,2 мм до 100 мкм. «Результаты даже превзошли наши ожидания, — говорит руководитель NIF Эдвард Мозес (Edward Moses). — Существовали некоторые опасения, что мы не достигнем нужной температуры, но всё обошлось».

По словам г-на Мозеса, зажигание термоядерного синтеза в NIF может произойти уже в следующем году. «Я думаю, весной или летом 2012-го всё будет готово, — предполагает учёный. — Но утверждать не берусь».







Полные версии двух отчётов об экспериментах опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.