Плазма и термоядерный синтез
Плазма представляет собой полностью или частично ионизированный газ, в котором наблюдается большое количество заряженных частиц, электронов и ионов. Плазму также называют четвертым состоянием вещества, так как она обладает рядом свойств, отличающих ее от веществ в газообразном и жидком состоянии. Свойства плазмы во многом схожи со свойствами газов, однако в определенных ситуациях имеет отличия, особенно это касается взаимодействия с электрическими и магнитными полями. В космосе большая часть вещества находится в состоянии плазмы. Плазма и ее свойства сейчас используется в люминесцентных лампах, в технологиях осаждения для производства дисплеев и солнечных батарей, в плазменных телевизорах, а также плазма занимает важное место в освоении получения электричества с помощью управляемого ядерного синтеза [1].
Удержание высокотемпературной плазмы
В звездах источником энергии являются реакции ядерного синтеза происходящих при огромных температурах. Для осуществления таких же реакций синтеза в земных условиях необходимо также довести вещество в реакторе для термоядерного синтеза до больших температур, из-за чего вещество в нем будет в состоянии полностью ионизированной плазмы. Однако возникает проблема удержания этой плазмы разогретой до огромных температур плазмы от стенок реактора [2]. Для осуществления синтеза на сегодняшний день существует два варианта систем [3].
Первые имеют название квазистационарных. К ним относятся токамак и стелларатор. Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, внутри которой создается магнитное поле при помощи намотанной на него катушки. Схема токамака разработана в СССР в 1950-х годах Игорем Евгеньевичем Таммом и Андреем Дмитриевичем Сахаровым. Первый токамак построили в 1954-м году [4]. Схема стелларатора создана американским астрофизиком Лайманом Спитцером в 1950-м году и в 1951-м году бы построен первый образец устройства. Принцип работы стелларатора схож с токамаком, вакуумная камера также имеет форму тора, но без азимутальной симметрии (тор как бы закручивается в восьмерку) в отличии от токамака, также магнитное поле в стеллараторе создается полностью внешними катушками [2].
Другой вид систем — инерциальные. В данном случае топливо для термоядерной реакции удерживается собственными силами инерции. Принцип работы заключается в том, чтобы сжечь значительную часть энергии, до того, как плазма расширится [5]. Для реакции нужно сжать газ до огромной плотности. Это сжатие осуществляется лазерном излучением или рентгеновскими лучами [1].
Для термоядерной реакции используют синтез атомов изотопов водорода, дейтерия и трития, в ходе реакции происходит появление атома гелия, свободного нейтрона и выделяется энергия.
National Ignition Facility
Примером инерциальной системы можно привести Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (National Ignition Facility, NIF), находящийся в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, США. Комплекс строился на протяжении 12-ти лет, стоимость работ приблзительно 4 млрд $. Строительство было завершено в 2009 году. В состав комплекса входит 192 лазера цель которых миллиметровая мишень с термоядерным топливом [6].
Wendelstein 7-X
Wendelstein 7-X установка для термоядерных реакций, построенная по схеме стелларатора. Строительством занимался Институт физики плазмы общества Макса Планка. Расположена установка в Грайсфсвальде, Германия. Устройство призвано исследовать возможность использования термоядерных реаторов по схеме стелларатора для осуществления получения энергии в промышленности. Также проводятся исследования по совершенствованию технологий управляемого термоядерного синтеза. Строительство проводилось с 2005 по 2014 годы [8].
ITER
Международный экспериментальный термоядерный реактор (The International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER), масштабное исследование возможности получения энергии путем термоядерного синтеза, с использование термоядерного реактора по схеме токамака. В эксперименте принимают участие страны Европейского Союза, Китай, Индия, Япония, Корея, Россия и Соединенные Штаты Америки. История ITER началась на Женевском Саммите в 1985-м году с идеи международного сотрудничества в исследованиях получения энергии термоядерным синтезом в мирных целях, предложенной Михаилом Горбачевым Рональду Рейгану. Через год было достигнуто соглашение между ЕС, Японией, СССР и США по разработке проекта термоядерной установки. Концептуальная разработка началась в 1988-м году. Окончательное утверждение проект получил в 2001-м году. В 2003-м году к проекту примкнули Китай и Корея, следом за этим в 2005-м году присоединилась Индия. В том же году членами организации было принято решение о строительстве установки в Сен-Поль-ле-Дюранс на юге Франции. Сооружение занимает 180 га земли. Строительство завода и вспомогательных зданий для производства первой плазмы началось в 2010-м году, здание для токамака начали возводить в 2014-м году. Завершение строительства планируется в 2021-м году. Фаза строительства токамака предполагается с 2020-го по 2025-й годы. Прогрессивный запуск установки намечен на период с 2025-го по 2035-й годы. В 2035-м году планируется начать дейтерий-тритиевые операции. В итоге вес устройства должен достигать 23-х тысяч тонн, плазма сможет достигать радиуса 6,2 м, температуры в 150 млн °С, объем плазмы 840 м3, общий объем 16 000 м3. Это будет самым большим токамаком в мире [11].
Модель термоядерного ректора по схеме токамак [11]
Список использованных источников
- Alexander Piel. Plasma Physics. An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas. ISBN 978-3-642-10490-9 e-ISBN 978-3-642-10491-6 DOI 10.1007/978-3-642-10491-6. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
- ПЛАЗМА
- Управляемый термоядерный синтез
- Океан энергии
- Инерциальный управляемый термоядерный синтез
- National Ignition Facility
- National Ignition Facility & Photon Science
- Wendelstein 7-X
- Isabella Milch. Wendelstein 7-X im Betrieb. Fusionsforschung mit Stellaratoren
- Max Planck Institute for Plasma Physics
- iter