Текст уведомления здесь

Синтезировать солнце

Увидит ли мир работающий термоядерный реактор через несколько лет и как он будет выглядеть

Промышленный термоядерный синтез получил славу «вечно грядущей» технологии, которая всегда в разработке, всегда где-то там, в полувеке от нас. Впрочем, в последнее время сроки сократились: промышленных реакторов по-прежнему нет, но многие проекты обещают продемонстрировать работающие прототипы в ближайшие несколько лет. Если, конечно, все пойдет по плану.
Добавить в закладки
Комментарии

«Lockheed Martin начала разработку компактного термоядерного реактора… На сайте фирмы говорится о постройке первого опытного образца уже через год. Если это окажется правдой, через год мы будем жить в совершенно ином мире», — это начало одной из статей «Чердака». Со времени ее публикации прошло три года, и мир с тех пор не так уж сильно изменился.

Сегодня в реакторах атомных электростанций энергия вырабатывается за счет распада тяжелых ядер. В термоядерных же реакторах энергия получается в ходе процесса слияния ядер, при котором образуются ядра меньшей массы, чем сумма исходных, а «остаток» уходит в виде энергии. Отходы ядерных реакторов радиоактивны, их безопасное захоронение — это большая головная боль. Термоядерные реакторы такого недостатка лишены, а также используют широко доступное топливо, такое как водород.

У них есть только одна большая проблема — промышленных образцов еще не существует. Задача непростая: для термоядерных реакций нужно сжать топливо и нагреть до сотен миллионов градусов — горячее, чем на поверхности Солнца (где термоядерные реакции происходят естественным путем). Достичь такой высокой температуры сложно, но можно, только вот потребляет такой реактор энергии больше, чем вырабатывает.

Однако потенциальных достоинств у них все равно так много, что разработкой занимается, конечно же, не только Lockheed Martin.

ITER

ITER — cамый крупный проект в этой области. В нем участвуют Евросоюз, Индия, Китай, Корея, Россия, США и Япония, а сам реактор строится на территории Франции с 2007 года, хотя его история уходит намного глубже в прошлое: о его создании договаривались еще Рейган с Горбачевым в 1985-м. Реактор представляет собой тороидальную камеру, «бублик», в которой плазму удерживают магнитные поля, потому и называется токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. Энергию реактор будет вырабатывать за счет слияния изотопов водорода — дейтерия и трития.

Планируется, что ITER будет получать энергии в 10 раз больше, чем потреблять, однако будет это не скоро. Изначально планировалось, что в экспериментальном режиме реактор начнет работать в 2020 году, однако затем этот срок перенесли на 2025-й. При этом промышленное производство энергии начнется не раньше 2060 года, а уж ждать распространения этой технологии можно только где-то в конце XXI века.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X — крупнейший термоядерный реактор типа стелларатор. Стелларатор решает проблему, которая преследует токамаки, — «расползание» плазмы из центра тора к его стенкам. То, с чем токамак пытается справиться за счет мощи магнитного поля, стелларатор решает за счет своей сложной формы: удерживающее плазму магнитное поле изгибается, чтобы пресечь поползновения заряженных частиц.

Схема Wendelstein 7-X, желтое — плазма, синее — магниты. Иллюстрация: Max-Planck Institut für Plasmaphysik

Схема Wendelstein 7-X, желтое — плазма, синее — магниты. Иллюстрация: Max-Planck Institut für Plasmaphysik

Wendelstein 7-X, как надеются его создатели, в 21-м году сможет проработать полчаса, что даст «билет в жизнь» идее термоядерных станций подобной конструкции.

National Ignition Facility

Еще один тип реакторов использует для сжатия и разогрева топлива мощные лазеры. Увы, крупнейшая лазерная установка для получения термоядерной энергии, американская NIF, не смогла выдать энергии больше, чем потребляет.

Предусилители установки National Ignition Facility. Фото: Lawrence Livermore National Laboratory

Предусилители установки National Ignition Facility. Фото: Lawrence Livermore National Laboratory

Более того, исследование, проведенное министерством энергетики США, мягко рекомендует задаваться не вопросом, «когда же у NIF это все-таки получится», а «возможно ли в принципе получить термоядерную энергию таким образом». Проще говоря, новостей от этого проекта можно уже не ждать.

Термоядерные стартапы

Частные компании экспериментируют с другими конструкциями реакторов и типами топлива, привлекают частных инвесторов вместо государственных миллиардов и обещают показать работающие прототипы в ближайшие годы.

TAE Technologies существуют с 1998 года и регулярно публикуются в научных журналах. Их технология термоядерного синтеза основана на слиянии ядер водорода и бора, она позволяет уменьшить потери энергии с потоком нейтронов, однако требует более высокой температуры для протекания реакции, чем другие технологии, — 3 миллиарда градусов Цельсия. Достичь и удержать нужную температуру — это и есть задача, над которой сейчас работают TAE Technologies.

Одним из инвесторов компании, по утверждению Forbes, является РОСНАНО, что подтверждает список совета директоров компании, в который входит Анатолий Чубайс. Кроме того, в TAE Technologies вложились Пол Аллен, соучредитель Miscrosoft, и банк Goldman Sachs. С 2014 года TAE Technologies сотрудничает с Google: в подборе параметров для экспериментов физикам помогает искусственный интеллект.

TAE Technologies надеются сделать прототип реактора в 2020-х годах. Канадская компания General Fusion называет похожие сроки: она обещает, что прототип реактора заработает уже через 3−5 лет. Для их технологии термоядерного синтеза не нужны дорогостоящие сверхпроводящие магниты, без которых не были бы возможны токамаки и стеллараторы или мощные лазеры, как в проекте National Ignition Facility.

В реакторе General Fusion жидкий металл разгоняется и закручивается в сферической камере. В образовавшуюся воронку с обоих концов впрыскивается дейтерий-тритиевая плазма. Посредине ее удерживает магнитное поле, а 200 пневматических поршней пускают по расплавленному металлу акустические волны, которые схлопывают воронку. Из-за сжатия плазма нагревается до 150 миллионов градусов, что запускает термоядерную реакцию.

Один из инвесторов General Fusion — Джефф Безос, основатель интернет-магазина Amazon и аэрокосмической компании Blue Origin.

Среди других частных компаний можно отметить Helion Energy: она обещает рабочий прототип термоядерного реактора через шесть лет.

Реактор в гараже

Наконец, в новостях то и дело можно услышать что-нибудь вроде: «Школьник собрал термоядерный реактор в 13 лет!» или «Любители сделали термоядерный реактор в гараже» и подобные. В таких случаях речь идет о фузорах Фарнсуорта-Хирша. Топливо в фузоре ионизируется напряжением между двух металлических сеток в вакуумной камере, положительно заряженные ионы ускоряются, и при их столкновении в центре камеры между ними может проходить реакция термоядерного синтеза.

«Термоядерный реактор своими руками» — звучит круто, но в плане производства энергии толку от фузоров нет, хотя в практическом смысле они могут использоваться как источники нейтронов.

Какие из всех этих проектов действительно «взлетят», а кого постигнет участь NIF, предсказать сложно. Остается ждать, надеяться и следить за новостями: 2020-е обещают стать интересным временем для ядерной энергетики.

«Ядерные технологии» — один из профилей Олимпиады НТИ для школьников.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Биты квантового мира

О том, какие бывают кубиты и какие из них прямо сейчас борются за лидерство в «квантовой гонке»

Гонка за тем, чтобы достичь квантового превосходства, в самом разгаре. Кто в ней участвует? На чем, собственно, гоняются? «Чердак» попросил физика Евгения Глушкова рассказать о базовых «кирпичиках» квантовых вычислительных машин и принципах, которые те используют в своей работе.
Добавить в закладки
Комментарии

Конечная цель этого соревнования заманчива и амбициозна: квантовые алгоритмы сулят существенный выигрыш в скорости решения нескольких весьма ограниченных, но очень важных и насущных задач — от информационной безопасности до моделирования новых материалов и лекарственных соединений. Интерес к области подогревают и все увеличивающиеся объемы инвестиций, причем как на государственном уровне (США, Китай, Россия, Австралия, Великобритания), так и со стороны частных компаний (IBM, Intel, Microsoft). Количество действующих лиц, лабораторий, исследовательских институтов и стартапов начинает зашкаливать, сориентироваться в потоке ежедневно поступающих новостей становится все труднее. Давайте разбираться.

Больше, чем бит

Для начала попробуем наглядно объяснить смысл этих самых так часто встречаемых слов (если он вам и так прекрасно известен, смело прыгайте на три абзаца вперед). Итак, квантовый бит, или, как его часто сокращенно называют, кубит, — это аналог классического бита в квантовом мире. Квантовым миром мы будем называть любые объекты и явления, происходящие на масштабах, где законы классической физики перестают работать и к ним на смену приходят законы квантовой физики. Обычно требуется только для очень-очень маленьких объектов — элементарных частиц, атомов, молекул. На больших масштабах квантовые эффекты размазываются и плавно переходят в законы привычной нам ньютоновской физики (хотя и здесь есть, конечно, исключения, а сама граница такого перехода активно исследуются на переднем крае науки).

С классическом битом мы все знакомы довольно неплохо как минимум на практике — это нули и единички, которыми оперируют наши компьютеры; орел и решка, выпадающие при подбрасывании монетки; выключатели света, которые так сложно бывает найти в темноте. Всех их объединяет возможность находиться в одном из двух состояний, и определить его не составляет особого труда. Берем и проверяем: горит лампочка или нет? Квантовый же бит — объект гораздо более необычный. [ ... ]

Читать полностью

Осторожно, хрупкое!

О неразрушающих методах исследования

Древности — штуки хрупкие: руками не трогать, а еще лучше — не дышать, только смотреть почтительно из-за стекла. Это, конечно, хорошо, но ученым всегда хочется увидеть невидимый портрет, разобрать непонятный механизм, проверить на подлинность. К счастью, для этого в наше время есть безопасные способы, которыми можно докопаться до сути вещей, ничего при этом не испортив.
Добавить в закладки
Комментарии

Портрет Ивана Грозного

Недавно сотрудникам Института космических исследований РАН и Государственного исторического музея удалось восстановить единственный прижизненный портрет Ивана IV. Портрет был вытиснен на обложке первой датированной книги, выпущенной в Москве в 1564 году, — «Апостола» пер­во­пе­чат­ни­ков Ива­на Фе­до­ро­ва и Пет­ра Ти­мо­фе­е­ва Мсти­слав­ца. Книга была напечатана в типографии, основанной по указу самого Ивана Грозного. Со временем портрет царя разгладился, и уже в XIX веке его почти не было видно, однако при помощи мультиспектральной съемки, которая позволяет в мельчайших деталях исследовать рельеф поверхности, специалистам ИКИ удалось узнать, как выглядел утраченный портрет.

Портрет Ивана Грозного на переплете подносного экземпляра «Апостола» Ивана Федорова, фотосъемка в узкополосном диапазоне спектра (длина волны 730 нм). Изображение: А.В. Андреев, М.Н. Жижин, Е.В. Уханова, 2017 [ ... ]
Читать полностью

«В стадии мирной коллаборации»

Один из создателей Российского квантового центра — о перспективах квантовых компьютеров

Громких заголовков про успехи квантовых компьютеров появляется все больше: одни ученые сделали рабочий кубит — элемент квантовой информации, другие — собрали компьютер на десяти кубитах, третьи — показали преимущество квантовых компьютеров над обычными в некоторых частных задачах. Как разглядеть за этим гигантскую историю, меняющую весь мир, рассказывает Сергей Белоусов, генеральный директор компании Acronis и один из основателей Российского квантового центра.
Добавить в закладки
Комментарии

Основа обычных компьютеров — бит — это некоторый объект, который может находиться в двух взаимоисключающих состояниях: либо «0», либо «1». Бит может кодироваться, например, напряжением полупроводникового транзистора: если оно больше некоторого значения, то значения бита — логическая «1», а если меньше — то логический «0». Память компьютера — это массив битов, а все вычисления — определенные операции, изменяющие состояния битов.

Кубиты в отличие от битов могут находиться одновременно сразу в двух логических состояниях. Если бы кубит можно было построить на полупроводником транзисторе, то такой транзистор при попытке измерить его напряжение с определенной вероятностью выдал бы логическую единицу, а с другой, тоже ненулевой вероятностью, — логический ноль. Но получить кубит на транзисторе невозможно, поскольку напряжение на нем всегда определяется однозначно — вместо этого их делают на различных миниатюрных системах, поведение которых описывается законами квантовой физики. Здесь есть два основных направления: одни группы работают с кубитами на основе микроскопических сверхпроводящих колец (логические «0» и «1» кодируют направления тока по кольцу, ток в такой системе может одновременно течь как по часовой, так и против часовой стрелки), а другие — на основе атомов, охлажденных до температуры в несколько кельвин («0» и «1» — это разные энергетические состояния атомов).

В перспективе вычислительная мощность квантовых компьютеров значительно превосходит мощности компьютеров обыкновенных. Если система из двух битов кодирует только два состояния, то система из двух кубитов — сразу четыре (каждый кубит по отдельности одновременно и «0» и «1», а значит два кубита одновременно в четырех состояниях — «00», «01», «10», «11»), а система из 10 кубитов будет кодировать 210, то есть 1024 состояний. При этом вычислительные операции над каждым из этих состояний можно совершать параллельно, и поэтому квантовый компьютер в каком-то смысле — это огромный массив параллельных процессоров

В качестве возможных применений квантовых компьютеров разработчики чаще всего говорят о моделировании различных физических процессов — это очень большие вычислительные задачи, которые не под силу классическим компьютерам. Кроме этого, квантовые компьютеры часто упоминают в контексте кибербезопасности, поскольку многие современные методы шифрования могут быть легко взломаны за счет квантовых вычислений. [ ... ]

Читать полностью