Ядерный синтез и искусственное солнце. В конце декабря китайским учёным удалось удерживать плазму при температуре 70 миллионов градусов Цельсия в течение 17 минут и 36 секунд. Этот рекорд оживляет надежды промышленников и экологов на ядерный синтез. Увидит ли человечество искусственное солнце?
17 минут 36 секунд
Китайские физики совершили новый прорыв, который может обеспечить планету чистой и безграничной энергией.
30 декабря их реактор ядерного синтеза, получивший название Experimental Advanced Superconducting Tokamak, – Экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (East) – поддерживал температуру в пять раз выше температуры в ядре Солнца в течение 17 минут 36 секунд.
Это абсолютный рекорд продолжительности для такого типа экспериментов. Международное научное сообщество приветствовало достижение этого «искусственного солнца». Основа его – реакция ядерного синтеза. Над схожими проектами работают ведущие физики мира.
«Стабильное функционирование плазмы поддерживалось в течение 1 056 секунд при температуре около 70 миллионов градусов Цельсия, что закладывает научную и экспериментальную основу для использования ядерного реактора»,
– сказал руководитель эксперимента и научный сотрудник Института физики плазмы Академии наук Китая Гунь Сяньцзу.
Предыдущий рекорд продолжительности был установлен в 2003 году, когда французский токамак под названием West, находящийся в Кадараше на юге Франции, удерживал процесс горения плазмы в течение 6 часов и 30 секунд.
Шесть ядерных реакторов
«Прекрасный результат! Это значительный вклад Китая в исследования ядерного синтеза на основе магнитного удержания.
Несмотря на то, что инжектированная, а, следовательно, и извлекаемая мощность всё ещё слабы по сравнению с мощностью, ожидаемой в других проектах. Например, ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор) во Франции. Но результаты этого эксперимента внушают большие надежды на будущее»,
– отмечает директор Научно-исследовательского института ядерного синтеза на основе магнитного удержания при Комиссариате по атомной и альтернативным видам энергии (CEA) Жером Бюкалосси.
В последние годы в области ядерного синтеза удалось добиться потрясающих результатов. В 2016 году китайский токамак удерживал плазму при температуре 50 миллионов градусов Цельсия в течение 102 секунд. Ещё через два года температура плазмы достигла 100 миллионов градусов. А в мае прошлого года – 160 миллионов градусов удерживались в течение 20 секунд. У Китая есть шесть реакторов ядерного синтеза. С 2000 года Поднебесная инвестировала в эту технологию около 800 миллиардов евро. Страна рассчитывает воспользоваться ей для того, чтобы уменьшить выбросы углекислого газа. В планах страны достичь углеродной нейтральности к 2060 году.
Но амбициозная перспектива производства энергии путём ядерного синтеза, представляющая собой настоящий экологический и промышленный прорыв, выглядит пока туманной. Первые токамаки были разработаны советскими учёными в конце 1960-х годов.
Что такое токамак? Это сокращение от «тороидальной камеры с магнитными катушками». Используется для названия устройства, способного производить ядерный синтез, происходящий внутри звёзд. Оно позволяет перманентно извлекать гигантский объем мощности, обусловленный самой реакцией. Она беспечивает работу реактора и вырабатывать электричество.
Суть ядерного синтеза и его преимущества для человечества
Теоретически такой способ производства энергии обладает многими преимуществами. Вплоть до настоящего времени ядерная энергия АЭС производится за счёт расщепления ядер радиоактивных элементов. Проще говоря, в реактор помещают расщепляющееся вещество. Уран-235 расщепляют на крупные атомы. Создаётся таким образом энергия, а следовательно и отходы. Суть синтеза заключается в столкновении на большой скорости ядер лёгких атомов. Они соединяются и образуют более тяжёлые ядра.
Такая реакция высвобождает больше энергии, чем расщепление (и приблизительно в 4 миллиона раз больше, чем энергия, вырабатываемая из ископаемого топлива!). Это позволяет полностью избегать выбросов газа с парниковым эффектом. Ядерная энергия не производит радиоактивных отходов, распад которых требует длительного времени. А для проведения синтеза требуется всего несколько грамм топлива. Между тем, она способна обеспечивать энергией в течение нескольких тысячелетий.
Так, например, дейтерий или тяжёлый водород можно получить путём простого электролиза из морской воды. Наконец, ядерный синтез безопаснее, так как он не представляет рисков разгона реактора. Следовательно, такие реакторы не взрываются. В случае малейшего нарушения работы физический процесс прекращается сам по себе.
Если кратко, то это настоящая мечта о чистой и почти безграничной энергии.
Термоядерный реактор ITER
Проблема заключается в том, что ядерный синтез требует условий, которые крайне сложно обеспечить искусственным образом. В частности, разогреть плазму до очень высокой температуры с помощью магнитного удержания.
Эта плазма, которую также называют ионизированным газом, соответствует состоянию вещества, сравнимому с «супом». Она ни твёрдая, ни жидкая, ни газообразная. Когда атомы теряют один или несколько электронов, они превращаются в ионы, по которым может проходить электричество. Чтобы добиться ядерного синтеза, следует разогреть плазму приблизительно до 150 миллионов градусов Цельсия. А для начала эксплуатации произведённой энергии, нужно сохранять такую температуру довольно долго – один час и даже больше. Учёные столкнулись с колоссальным вызовом научного, технического и промышленного плана.
Во всём мире были разработаны многочисленные программы: в Великобритании, в Швейцарии, в США, в Германии и других странах. Но самым инновационным проектом по-прежнему остаётся ITER.
Проект реализуется при участии 35 стран, объединённых вокруг семи членов-учредителей: Европейский союз, Россия, Япония, Индия, Южная Корея, США и Китай. После начальной разработки, начавшейся в 1988 году, строительство этого международного экспериментального термоядерного реактора стартовало в 2007 году. А фаза сборки продолжается и в настоящее время. ITER – это первое устройство, соответствующее всем условиям для получения и изучения горячей плазмы, управляемой термоядерным синтезом.
Целью проекта является попытка производства около 500 мегаватт энергии в результате синтеза в течение как минимум 400 секунд. Это эквивалентно современной АЭС.
Вдохновлённый этим достижением, Китай должен использовать свой опыт, чтобы оптимизировать магнитное удержание плазмы. Далее происходит обмен научными открытиями с другими членами проекта ITER.
«Способность контролировать плазму, разогретую до такой высокой температуры так долго, является отличным примером демонстрации возможностей физики и технологии»,
– с энтузиазмом говорит директор Федерации научных исследований синтеза на основе магнитного удержания Янник Маранде:
«Для французского токамака в Карадаше это прекрасный вызов, и лаборатория в состоянии побить этот рекорд в течение ближайших месяцев!».
И продолжить эту гонку за легендарной безграничной энергией.
Опубликовано 25/01/2022