?

Log in

No account? Create an account

Делай, что должен

будет, что будет

Previous Entry Share Next Entry
Звёздочка моя, солнышко земное (NUC21)
crustgroup
Понимание проблем токамакостроения и плазмоудержания у современных обывателей, к сожалению, находится на весьма убогом уровне. Те светлые времена, когда журнал "Наука и Жизнь" выходил тиражом в 3 миллиона экземпляров, уже позади. Сейчас тираж "Науки и Жизни" скатился до жалких 40 000 экземпляров, а сам журнал представляет собой убогую тень своего славного прошлого.

Поэтому я попробую рассказать вам о инженерных проблемах термоядерной энергетики максимально доступно, но в то же время — с сохранением всего объёма технической информации, необходимого для понимания того, во что и где упёрлись учёные, инженеры и строители в деле создания "рукотворного Солнца" на Земле.

Вначале о понятном — о размерах. Вот сравнение (чисто в рамках геометрии установок!) того пути, который уже был пройден и который ещё предстоит пройти термоядерной энергетике:

Сравнение
Блоха в левом нижнем углу рисунка — это первый настоящий токамак Т-3, созданный в СССР и продемонстрировавший миру принципиальную возможность создания электростанции, основанной на магнитном удержании высокотемпературной плазмы для создания термоядерной реакции. Маленькая палочка под трубой большого ITERa, который сейчас строит весь мир — это человек, вот он же в сравнении с токамаком Т-3 на старом архивном фото:

t3

Как видите — наши отцы даже и не представляли, насколько трудная и масштабная задача предстоит им в деле покорения термоядерной энергии.
Причём, если кто-либо думает, что путь прогресса от Т-3 до ITERа — это лишь вопрос нахождения молотка побольше и организации таджиков на заливку бетонного основания токамака — то он глубоко ошибается.
ITER гораздо технологичнее самого последнего и самого большого современного токамака JET во столько же раз, во сколько раз и сам JET технологичнее старого, доброго, "лампового" Т-3.

Надо сказать, что даже ITER ещё будет, несмотря на всю свою технологичность, всего лишь "наскоро сделанным на коленке" прототипом. Конечно, не на коленке, конечно не наскоро, но именно — прототипом. Например, охлаждение первой стенки реактора в нём будет вестись с помощью обычной воды, в то время, как в серийной термоядерной станции DEMO, строительство которой начнут сразу же после постройки и успешного пуска ITERа — первая стенка плазменной камеры будет охлаждаться уже жидким гелием.

И вот тут мы подходим к одному интересному моменту, который часто не осознаётся многими людьми, которые слушали о термоядерной энергии только в рамках школьного курса физики.
Поясню, в чём состоит тонкий момент термоядерной реакции, которую сейчас хотят запустить в реакторе ITER.

Как вы помните, напрямую повторить реакции по слиянию ядер протия, которые идут в недрах нашего Солнца или же сложный CNO-цикл, который тоже понемногу превращает "лёгкий" водород в гелий, в земных условиях невозможно. Просто потому, что размеры реактора для таких циклов и реакций необходимы просто безумные — речь идёт о том, что термоядерные реакции на лёгком водороде нуждаются в реакторе размером с наше Солнце.

CNO_Cycle
CNO-цикл, который тоже греет наше Солнце, вместе с вездесущим протием.


Вообще же. если мы начнём искать варианты минимальных условий для создания самоподдерживающейся  ядерной реакции на лёгких элементах (так, чтобы ничего не строить), то мы упрёмся в такие необычные объекты, как коричневые карлики.
"Коричневый карлик" — это звездоподобный объект, размеры которого будут сравнимы с размерами нашего Юпитера, но масса будет уже в 10-30 раз больше, что уже позволят ненадолго зажечь в своих недрах эрзац-реакцию на лёгких элементах.

BrownDwarfCompare-WISE
Сравнение Солнца, красного карлика, коричневого карлика, Юпитера и Земли.

Как видите, по размеру небольшой коричневый карлик ненамного больше Юпитера. Основное его отличие — это плотность и масса. Масса коричневого карлика создаёт более сильное гравитационное поле, поле сжимает карлик, плотность и температура внутри него растут и, вуаля — начинается термоядерная реакция.

Если красные карлики — это всё ещё полноценные звёзды (правда и маленькие), то коричневые карлики — это что-то среднее между планетами типа Юпитера и настоящими светилами. Из-за своей наружной температуры около 1200 К (900 °C) коричневые карлики светятся тёмно-вишнёвым светом. Самые яркие и самые массивные из них могут даже разгореться до тёмно-красного свечения, набрав на пике своей "мощности" температуру до 3000 К (около 2700 °C).

Отличны от настоящих звёзд главной последовательности и реакции, которые идут в коричневых карликах.
В нашем Солнце реакции "протий+протий" и CNO-цикл вносят где-то по 60 и 40% в общее энерговыделение нашего светила. Но проблема в том, что реакция "протий+протий" стартует в звёздах где-то от температуры в 4 млн. К, а CNO-цикл — и при того более высоких температурах — при 12 млн. К.

pp-cno
При температурах же, характерных для коричневых карликов, ни реакцию "протий-протий" ни тем более, CNO-цикл — не зажечь. Совершенно же невозможно для коричневого карлика зажечь и реакцию синтеза углерода из ядер гелия-4, которую предстоит пройти и нашему Солнцу где-то через 3,5 млрд. лет, в момент превращения его в красный гигант. Для реакции синтеза гелия в углерод надо поднять температуру внутри звезды "всего лишь" до 100 миллионов градусов Кельвина, чем даже наше Солнце пока, к счастью, похвастаться не может.

Что же жгут в своих недрах коричневые карлики? Ведь их уже нашли больше трёх десятков (в основном, по понятным причинам —  у ближайших к нам звёзд), а жечь протий или что-то другое у себя в недрах они не могут.
Для того, чтобы понять, что жгут коричневые карлики, посмотрим на несколько диаграмм. Первая — это энергия связи ядер различных химических элементов в расчёте на один нуклон — нейтрон или протон:

image010

График начинается с ядра дейтерия, нелёгкое образование которого из протия мы рассмотрели в прошлом материале. Сам протий — ядро 1H или одиночный протон. на этом графике не показан по понятной причине — энергия связи одиночного протона по определению равна нулю.

Энергия связи дейтрона уже составляет около 1 МэВ на нуклон. Однако, уже для следующего химического — гелия энергия связи в расчёте на один нуклон резко возрастает до 7,03 МэВ на один нуклон. Такая энергия связи характерна для "магической частицы" всей ядерной физики — ядра гелия-4 или 4He, часто называемого ещё и альфа-частицей (α-частица).
Альфа-частица — это сверхустойчивый ядерный организм. Как я уже сказал, превращаться во что-либо иное она согласна только при температурах более 100 млн. градусов, в недрах достаточно массивных звёзд. Кроме того, альфа-частица — это постоянный спутник многих радиоактивных распадов тяжёлых ядер.
Почему? Это тоже очень легко наблюдать на графике. Энергия связи атома урана, например, составляет всего 7,6 МэВ на один нуклон. Разница между энергией связи нуклонов в уране и в альфа-частице — всего около 0,57 МэВ. Рано или поздно ядро урана не выдерживает ужасов социалистического общежития и скученности 238 нуклонов на ограниченной жилплощади — и выталкивает из себя альфа-частицу. Альфа-частица, со своим "блэкджеком и поэтессами", успешно улетает, ну а 238U превращается в... 234U. В то же самое социалистическое общежитие, но уже — с 234 жителями. Подробности, если что, тут.

Исходя из такой мощной энергии связи альфа-частицы мы уже можем по-настоящему понять график распространённости химических элементов во Вселенной:

nsf08

Primenenie-izotopov-8

Как видите, "магистральное шоссе" синтеза ядер у нас чёткое и однозначное.
Водород горит в гелий, гелий горит в углерод и кислород, кислород и углерод горят в кремний, а кремний горит в железо.
Железо — это термоядерные угли, которые уже не могут гореть сами по себе, поскольку имеют максимально возможную для ядер энергию связи.
Практически все элементы группы железа и всё тяжелее этого химического элемента попадает во внешний мир только при взрывах сверхновых звёзд.
Если это вас утешит — то каждый атом углерода, кислорода или азота в вашем теле — уже как минимум один раз побывал в звезде. ну а вся Земля, в целом — это звёздный пепел. По большей части, конечно.

И в этом звёздном пепле можно всё-таки отыскать немного недогоревших головешек. Именно эти головешки и жгут коричневые карлики и собираются поджечь хитрые учёные.
Это атомы, которые притаились в первой части таблицы, но которые имеют энергию связи меньшую, чем наша магическая альфа-частица.
Вот, поимённо, весь этот список: дейтерий и тритий (это у нас изотопы водорода), литий, бериллий, бор.

Всё.

Всего пять головешек оставила нам природа для того, чтобы поджигать наш земной костёр из лёгких ядер. Причём это именно что "огарки" — по сравнению с лёгким водородом — протием этих элементов и изотопов у нас до обидного мало.
Но людишки бы не были Homo Sapiens, если бы не нашли интересный выход из сложившейся ситуации с недостатком свинца в организме врага лёгких ядер в составе Земли.

Энергия связи ядра протия, как мы помним, равна нулю. При встрече двух протонов должно произойти невероятное событие: один из протонов должен виртуально превратиться в нейтрон (за счёт слабого взаимодействия) и тут же образовать устойчивое ядро дейтерия — дейтрон, энергия связи в котором чуть больше, чем разница в массах протона и нейтрона.
То есть, конечно, окончательное состояние двух протонов в ядре дейтрона более энергетически выгодное, но вот в начале вопрос того, кто будет сверху превратится в нейтрон, отнюдь не столь очевидно.

А что будет, если протону подсунуть под нос уже готовый нейтрон?

matrix

Да, всё будет так, как показали в "Матрице". Любой протон, который окажется достаточно близко с тепловым (то есть — медленно идущим) нейтроном, тут же быстро захватит его под руку и образует супружескую пару устойчивое ядро дейтрона.
Ну а дейтрон, в принципе, может захватить и ещё один нейтрон и образовать ядро трития.
Тут, конечно, аналогии с людьми можно смело заканчивать — поскольку хоть тритий и неустойчивое ядро, но распадается по β-распаду в 3He, тот самый гелий-3, который надо копать на Луне.

В общем, был бы у нас годный источник тепловых нейтронов — а уже задача наработки термоядерного горючего из обычной воды для нас стоять не будет в принципе. Хочешь дейтерий получай, хочешь — тритий, а хочешь — подожди и гелий-3 получишь.

Что же у нас является самым мощным источником тепловых нейтронов, который был создан человечеством? Да он же, любимый, и является. Ядерный реактор на распаде тяжёлых ядер — урана, тория и плутония. На каждое деление — по два-три нейтрона, плюс ещё немножко — от осколков деления.

Значит, на каждый атом урана можно легко получить атом дейтерия. Просто из воды охлаждающей водяной рубашки первого контура. В которой у нас будет "коктейль" из дейтерия. трития и гелия-3. Доставку термоядерного топлива заказывали?

С топливом разобрались? А теперь ответим на прозвучавший в начале статьи вопрос. А зачем охлаждают переднюю стенку камеры токамака? Как же учёные собираются забрать тепло от плазменного шнура в реакторе ITER?

А никак. Не будут снимать тепло прямо со шнура — не для этого с таким трудом и с такими мучениями грели плазму. Не для тебе ця квітка розцвіла.

Энергию будут снимать с нейтронов. Которые в изобилии будет давать термоядерная реакция синтеза дейтерия и трития в гелий, которую и хотят запустить в термоядерном реакторе. Вот она:

D-t-fusion

Ещё раз, что важно. Энергия при реакции синтеза не выделяется просто так. Часть энергии остаётся в плазме в виде заряженной частицы гелия-4, а часть энергии неизбежно покидает плазму в виде быстрого нейтрона. Нейтрон — частица незаряженная, девушка вольная и улетает со своим "приданным" куда импульс велит.
А приданного — почти что 80% от всего выхода термоядерной реакции. Только 3,5 МэВ энергии от реакции синтеза остаётся в плазме, а 14,1 МэВ улетает куда подальше в виде высокоэнергетического нейтрона, которому это ваше магнитное поле — что слону дробина.

14,1 МэВ — это много или мало?
Это не просто много — это супермного. Такими высокоэнергетическими частицами можно делать всё, что угодно. Например, дробить неделимый торий, который слабенькими нейтронами распада делиться не хочет в принципе. Или — получать из урана плутоний. Или — делить упрямый 238U, который, как и торий, делится нейтронами от распада 235U очень неохотно.
Ну или, опять-таки, окружить токамак за первой, тонкой и охлаждаемой стенкой вакуумной камеры с плазмой, которая для нейтронов всё равно, что бумага, снова-таки водяной рубашкой.

Из протиевой воды, которой у нас — целые океаны по всей Земле. И снова, за счёт нейтронов синтеза, нарабатывать из протия дейтерий, тритий и гелий-3.
Короче, если кто смотрел "Обливион" с Томом Крузом, то мегакипятильники, которые "воровали" с Земли дейтерий и которые Круз смело и героически охранял — это бред:

original19112102

Скрипач Кипятильник не нужен.
Если у тебя есть термоядерный реактор на реакции D+T, то ты наработаешь себе и немножко трития и "трошечки, тiльки для себе" дейтерия на будущее. И плутония. И тория. И урана. Да и вообще — всю таблицу Менделеева.

Философский камень заказывали?
Да, я тут нашёл... В головешках от термоядерного пожара последней сверхновой.




promo crustgroup september 5, 2012 16:48 88
Buy for 100 tokens
Начиная цикл статей о ядерной энергии я постараюсь описать несколько моментов, которые часто проговариваются вскольз, либо вообще не упоминаются при разговоре о "ядерной альтернативе" ископаемым минеральным топливам. Стартанём собычных цифр и картинок, которые иногда гораздо более…

С нетерпением жду продолжения.
П.С. А на кой ляд в новом токамаке захотят охлаждать стенки гелием? Работать с ним всё же сложнее, чем с водой.

Вероятно из-за того, что необходима именно очень низкая температура (около 4 К) — это единственное, что может дать жидкий гелий по сравнению с водой. Ведь если требуется охлаждение до комнатной температуры, то гораздо логичнее использовать воду — её теплоёмкость 4,2 кДж/(кг×К), тогда как, к примеру, жидкого азота — 2,01 кДж/(кг×К), жидкого гелия — близка к нулю.

Ещё один, кроме Солнца, неограниченный источник энергии - безусловное зло :)

Мы ведь ни в чём меры не знаем, будем потреблять неограниченно - вплоть до того момента, когда атмосфера Земли приблизится по своему состоянию к парной в русской бане (те же АЭС, в отличие от "чистых" источников энергии, температурный баланс планеты нарушают очень даже хорошо).

И где тогда нам искать тех учёных, которые "интереса ради" создадут ещё один класс суперкипятильников?

Чтобы взыскать, разумеется :)

Четвёртая степень температуры спасёт Землю.
Вместе с суперменами Стефаном и Больцманом.

Воу-воу, ядерный распад, палехчи

Цитата: "238U превращается в... 234U"

Атомный номер при альфа-распаде уменьшается на 2. Опечатались, уважаемый.

Re: Воу-воу, ядерный распад, палехчи

Не-а. Там потом ещё два быстрых бета-распада - и снова... уран.
Я ж ряды привёл. ;)

Вітаємо! Ваш запис потрапив у Рейтинг топ-25 популярних записів України!
За бажанням детальніше про рейтинги ви можете прочитати у розділі довідки.

Всё это понятно и известно. Этот ITER уже лет 10 строят и конца и края что-то не видно.. Сколько туда миллиардов вбухано! Сколько еще вбухивать и ждать? Похоже никогда его уже не построят...

Вы думаете, что под вашим руководством оно побыстрее пойдёт? И бюджет сможете сэкономить?

(no subject) (Anonymous) Expand
Проблема в нейтронном балансе. Производить D смысла нет, его и так дофига, а с тритием бИда.
D+T=He4+n. Образуется только 1 нейтрон, т.е. цепной реакции нет и в лучшем случае мы сможем воспроизводить T либо из D либо из Li6 один к одному. А т.к. потери нейтронов будут то ресурс трития будет быстро истощаться.
Если использовать нейтрон для деления U238, то мы сможем расширенно воспроизводить тритий, но тут такое дело: само деление U238 это где-то 200MeV, т.е. энергии это деление будет давать в разы больше, чем тот тритий, который мы получим в результате деления U238. Т.е. де факто по энерговыходу у нас будет не термоядерная электростанция, а атомная на быстрых нейтронах, где источником нейтронов будет ТС. Она будет конечно гораздо управляемой, сможет освоить огромные запасы U238, но говорить о самостоятельной роли ТС, пока не будет освоена реакция с He3 нельзя.

Я пока говорил только о реакции D+Т, в рамках которой можно вполне вовлечь в оборот энергии:
1) торий
2) уран-238
3) часть протия
4) утилизовать "бесхозные" нейтроны.

На гелии-3 просто проблем ровно в 100 раз больше, чем на D+T, до него ещё дожить надо.

Ну а остальных "головешек" - лития, бериллия и бора - так вообще до обидного мало.

я так и не понял что дальше? нагреваем водичку и крутим турбину?
и зачем такой размер? нельзя это в миниатюре всё проворачивать?

Edited at 2013-06-10 12:53 pm (UTC)

Нейтроны. Только тепло.
Никакие системы прямого преобразования не работают - их можно ждать только для реакции на гелии-3.

И все-таки токамаки - тупиковая ветвь эволюции

(Anonymous)
На третьем посте про термояд не выдержал и решил впервые в жизни написать комментарий в ЖЖ. С токамаками не так все радужно, как Вы описываете. Начнем с того, что полного понимания процессов удержания до сих пор нет. Есть такая штука - аномальная диффузия. Этим термином называют совокупность процессов выноса плазмы из шнура на стенки. Так вот, природа происхождения это "диффузии" до сих пор не ясна. Посему ITER такой большой (его размеры основаны на скейлингах времен удержания существующих токамаков, теорией там и не пахнет), хотя Лаврентьев надеялся, что получится токамаки в каждом колхозе ставить. Концентрация в шнуре не может превышать 10^14-10^15 см^-3, температуру тоже сильно не задерешь, площадь сечения термоядерной реакции нормирована. Посему, чтобы поднять энерговыход установки - ее надо увеличивать в масштабах. А ITER и так не маленький и очень сложный. Проблема 14 МэВ нейтронов не решена. Они легко пролетят и пару метров воды, как их задерживать - пока не ясно (чисто технически). Ну а главная проблема с ними - радиационное распухание. На сколько мне известно (хотя что-то могло и произойти нового за последние пять лет), экспериментов по изучению влияния такого потока нейтронов, который будет на ITER, на материалы не производилось. Так как источника таких нейтронов в таких количествах просто нет. Энергия в ITER будет сниматься за счет альфа-частиц, которые должны выходить по незамкнутым магнитным линиям в дивертор. И таких проблем еще очень много. Во общем после шести лет учебы на кафедре УТС и пяти лет работы на токамаке, я пришел к выводу, что токамак - тупиковая ветвь, как и стелараторы, и инерциальный синтез. Нужен какой-то другой подход. Может быть прав был Капица С.П., который предлагал "раскрыть секрет шаровой молнии", а потом использовать его для нового способа удержания.

Re: И все-таки токамаки - тупиковая ветвь эволюции

Проект ITER - экспериментальный реактор.
Запретов на бланкет из урана с торием нет никаких, а сечение захвата нейтронов у урана где-то на 5 порядков лучше, чем у воды.

Вынужден приземлить полет фантазии.

На один нейтрон, получаемый в результате реакции дейтерий(D)-тритий(T) требуется один нейтрон для получения D из p(протона, ядра обычнного водорода) и 2 - для получения T из p.
Т.е. в самых идеальных условиях после сжигания всего годного топлива для цикла D-T топлива мы получим нового топлива в размере 1/3 от имевшегося изначально количества, а в пределе бесконечного числа таких идеальных циклов - половину от имевшегося. И все - тушите ваши реакторы.

Re: Вынужден приземлить полет фантазии.

Вы забыли о урано-ториевом бланкете, которым нам и надо тормозить все эти сверхжёсткие нейтроны из термоядерного тора.
А там каждая реакция деления даст 2-3 нейтрона взамен одного влетевшего.
Так что баланс такого реактора - сугубо нулевой по дейтерию и тритию.
Расходуется только торий и уран-238, с которыми сейчас и есть основные вопросы по их утилизации.

Вспомнилось
http://www.youtube.com/watch?v=xavhQ-uLOG0

Спасибо, очень интересно.

По поводу того, что горит в коричневых карликах - ситуация простая.
Поскольку в них реализуется очень высокое значение Nt (концентрация * время_удержания) - термоядерные реакции могут идти при небольших температурах, порядка десятков тысяч кельвинов - но, естественно, с малой скоростью - за счёт высокотемпературного "хвостра" распределения частиц газа по скоростям.
Ну и плюс - физически большой объём газового шара (кубквадрат) должен обеспечить достаточный уровень притока энергии энергии "в толще" для обеспечения нужной температуры внутри при имеющемся утекании энергии через поверхность тела.

Исследователям впервые в мире удалось получить бензин из чистого воздуха

Процесс является достаточно простым, и возникает закономерный вопрос – почему же учёные не пользовались этим методом раньше? По одной простой причине – до сегодняшнего дня у них не было возможности доказать, что этот процесс генерирует больше энергии, чем требует сам. Данной технологии необходимо электричество для проведения химического преобразования, а любой процесс не может быть признан жизнеспособным, пока не сможет продемонстрировать, что стоимость энергии, необходимой для его протекания, меньше стоимости энергии, получаемой на выходе.

Метод же, разработанный компанией «Air Fuel Synthesis», не только жизнеспособен, но и может использоваться для создания топлива даже для высокопроизводительной техники. Но, пожалуй, наибольшее его преимущество – в его постоянстве.
http://gearmix.ru/archives/2954

если я правильно понял то схема будет как и в современных ректорах?-тепловая энергия реакции греет какой то теплоноситель потом пар потом турбина и вот электричество так?

С нейтронами - никак иначе. Они же незаряженные электрически.