Thermonuclear Reactors: Do They Have a Future?

The main source of energy for humanity at present is the burning of coal, oil and gas. But their reserves are limited, and combustion products pollute the environment. A coal-fired power plant produces more radioactive emissions than nuclear power plants of the same capacity! So why haven’t we switched to nuclear energy sources so far? There are many reasons for this, but radiophobia has recently become the main one. Despite the fact that a coal-fired power plant, even with regular operation, harms the health of far more people than accidental emissions at nuclear power plants, it does it quietly and invisibly to the public. Accidents at nuclear power plants immediately become the main news in the media, causing a general panic (often completely unreasonable). However, this does not mean at all that nuclear energy has no objective problems. A lot of trouble is brought by radioactive waste: the technologies for working with them are still extremely expensive, and the ideal situation, when all of them will be completely processed and used, is still far away.

Of all thermonuclear reactions in the short term, only four are of interest: deuterium + deuterium (products — tritium and proton, released energy 4.0 MeV), deuterium + deuterium (helium-3 and neutron, 3.3 MeV), deuterium + tritium (helium -4 and neutron, 17.6 MeV) and deuterium + helium-3 (helium-4 and proton, 18.2 MeV). The first and second reactions run in parallel with equal probability. The resulting tritium and helium-3 “burn out” in the third and fourth reactions.

From division to synthesis

The potential transition from fission reactors to fusion reactors can potentially solve these problems. If a typical fission reactor contains tens of tons of radioactive fuel, which is converted into tens of tons of radioactive waste containing a wide variety of radioactive isotopes, then the synthesis reactor uses only hundreds of grams, a maximum of a kilogram, of one radioactive isotope of hydrogen - tritium. In addition to the fact that the reaction requires an insignificant amount of this least dangerous radioactive isotope, it is also planned to produce it directly at power plants in order to minimize the risks associated with transportation. The synthesis products are stable (non-radioactive) and non-toxic hydrogen and helium. In addition, unlike the fission reaction, the thermonuclear reaction stops immediately upon destruction of the facility, without creating a risk of thermal explosion. So why has not a single thermonuclear power station been built so far? The reason is that the disadvantages inevitably arise from the above advantages: it turned out to be much more difficult to create the synthesis conditions than was supposed at the beginning.


Lawson criterion

In order for the thermonuclear reaction to be energetically advantageous, it is necessary to ensure a sufficiently high temperature of the thermonuclear fuel, a sufficiently high density and sufficiently low energy loss. The latter are numerically characterized by the so-called "retention time", which is equal to the ratio of the thermal energy stored in the plasma to the energy loss power (many mistakenly believe that the "retention time" is the time during which the hot plasma is maintained in the installation, but this is not so) . At a temperature of a mixture of deuterium and tritium equal to 10 keV (approximately 110, 000, 000 degrees), we need to obtain the product of the number of fuel particles in 1 cm3 (i.e. plasma concentration) and the retention time (in seconds) of at least 1014. It doesn’t matter whether we have a plasma with a concentration of 1014 cm-3 and a retention time of 1 s, or a plasma with a concentration of 1023 and a retention time of 1 ns. This criterion is called the "Lawson criterion."

In addition to the Lawson criterion, which is responsible for obtaining an energetically favorable reaction, there is also a plasma ignition criterion, which for the deuterium-tritium reaction is approximately three times greater than the Lawson criterion. “Ignition” means that the fraction of thermonuclear energy that remains in the plasma will be enough to maintain the required temperature, and additional heating of the plasma will no longer be required.

Z-pinch

The first device in which it was planned to obtain a controlled thermonuclear reaction was the so-called Z-pinch. This installation in the simplest case consists of only two electrodes located in a deuterium medium (hydrogen-2) or a mixture of deuterium and tritium, and a battery of high-voltage pulse capacitors. At first glance, it seems that it allows you to get a compressed plasma, heated to a huge temperature: exactly what you need for a thermonuclear reaction! However, in life, everything turned out, alas, far from being so rosy. The plasma bundle turned out to be unstable: its slightest bending leads to an increase in the magnetic field on one side and weakening on the other, the arising forces increase the bend of the bundle even more - and all the plasma “falls out” on the side wall of the chamber. The tourniquet is not only unstable to bending, its slightest thinning leads to an increase in this part of the magnetic field, which compresses the plasma even more, squeezing it into the remaining volume of the tourniquet, until the tourniquet is finally “transferred”. The transferred part has a large electrical resistance, so that the current breaks off, the magnetic field disappears, and the entire plasma is scattered.

The principle of operation of the Z-pinch is simple: an electric current generates an annular magnetic field that interacts with the same current and compresses it. As a result, the density and temperature of the plasma through which the current flows increase.

It was possible to stabilize the plasma bundle by applying a powerful external magnetic field parallel to the current and placing it in a thick conducting casing (when moving the plasma, the magnetic field also moves, which induces an electric current in the casing, which tends to return the plasma to its place). The plasma stopped bending and pinching, but it was still a long way to the thermonuclear reaction on any serious scale: the plasma touches the electrodes and gives off its heat to them.

The most accurate scales in the world and how they work

Modern work in the field of synthesis on a Z-pinch suggests another principle for creating a thermonuclear plasma: current flows through a tube from tungsten plasma, which creates powerful x-ray radiation, compressing and heating a capsule with thermonuclear fuel inside the plasma tube, similar to how this happens in a thermonuclear bomb. However, these works are purely research in nature (the mechanisms of nuclear weapons are being studied), and the energy release in this process is still millions of times less than consumption.

The smaller the ratio of the large radius of the tokamak torus (the distance from the center of the entire torus to the center of the cross section of its pipe) to the small (radius of the pipe section), the greater the plasma pressure can be at the same magnetic field. By decreasing this ratio, scientists switched from a circular plasma and vacuum chamber to a D-shaped one (in this case, half the height of the section plays the role of a small radius). All modern tokamaks have a cross-sectional shape like this. The limiting case was the so-called "spherical tokamak." In such tokamaks, the vacuum chamber and plasma have an almost spherical shape, with the exception of a narrow channel connecting the poles of the sphere. Conductors of magnetic coils pass through the channel. The first spherical tokamak, START, appeared only in 1991, so this is a fairly young direction, but it has already shown the possibility of obtaining the same plasma pressure with a three-fold lower magnetic field.

Probkotron, stellarator, tokamak

Another option for creating the necessary conditions for the reaction is the so-called open magnetic traps. The most famous of them is the "mirror cell": a pipe with a longitudinal magnetic field, which is amplified at its ends and weakens in the middle. The field enlarged at the ends creates a “magnetic plug” (where the Russian name comes from), or a “magnetic mirror” (English - mirror machine), which keeps the plasma from going beyond the installation through the ends. However, such confinement is incomplete, part of the charged particles moving along certain trajectories is able to pass through these plugs. And as a result of collisions, any particle will sooner or later fall on such a trajectory. In addition, the plasma in the mirror cell was also unstable: if at some point a small portion of the plasma moves away from the axis of the setup, forces arise that eject the plasma onto the chamber wall. Although the basic idea of ​​the mirror cell was significantly improved (which allowed both plasma instability and the permeability of the tubes to be reduced), in practice they could not even come close to the parameters necessary for energy-efficient synthesis.

Is it possible to ensure that the plasma does not leave through the “plugs”? It would seem that the obvious solution is to collapse the plasma into a ring. However, then the magnetic field inside the ring is stronger than the outside, and the plasma again tends to go to the chamber wall. The way out of this difficult situation also seemed quite obvious: instead of the ring, make the “eight”, then in one section the particle will move away from the axis of the installation, and in the other it will come back. That is how scientists came to the idea of ​​the first stellarator. But such a "figure eight" cannot be made in one plane, so I had to use the third dimension, bending the magnetic field in the second direction, which also led to the gradual departure of particles from the axis to the chamber wall.

The situation has changed dramatically with the creation of installations such as "tokamak". The results obtained on the T-3 tokamak in the second half of the 1960s were so stunning for that time that Western scientists came to the USSR with their measuring equipment to verify the plasma parameters themselves. Reality even exceeded their expectations.

These fantastically interwoven pipes are not an art project, but a stellarator chamber, curved in the form of a complex three-dimensional curve.

In the hands of inertia

In addition to magnetic confinement, there is a fundamentally different approach to thermonuclear fusion - inertial confinement. If in the first case we try to hold plasma of a very low concentration for a long time (the concentration of molecules in the air around you is hundreds of thousands of times higher), then in the second case we compress the plasma to a huge density, an order of magnitude higher than the density of the heaviest metals, in the calculation that the reaction will have time to pass in that short time, before the plasma has time to fly apart.

Initially, in the 1960s, it was planned to use a small ball of frozen thermonuclear fuel, uniformly irradiated from all sides with a multitude of laser beams. The surface of the ball should have instantly evaporated and, expanding uniformly in all directions, compress and heat the remainder of the fuel. However, in practice, the exposure was not uniform enough. In addition, part of the radiation energy was transferred to the inner layers, causing them to heat up, which complicated compression. As a result, the ball was compressed unevenly and weakly.

There are a number of modern stellarator configurations, and they are all close to the torus. One of the most common configurations involves the use of coils similar to the coils of the poloidal field of tokamaks, and four to six conductors with multidirectional current twisted around a vacuum chamber by a screw. The complex magnetic field created in this case allows one to reliably hold the plasma without requiring the passage of an annular electric current through it. In addition, coils of a toroidal field can be used in stellarators, as in tokamaks. A screw conductors may be absent, but then the coils of the "toroidal" field are installed along a complex three-dimensional curve. Recent developments in the field of stellarators involve the use of magnetic coils and a vacuum chamber of a very complex shape (a heavily crumpled torus) calculated on a computer.

The problem of non-uniformity was solved by significantly changing the design of the target. Now the ball is placed inside a special small metal chamber (it is called "holraum", from it. Hohlraum - cavity) with holes through which the laser beams enter. In addition, crystals are used that convert the infrared laser radiation into ultraviolet. This UV radiation is absorbed by the thinnest layer of holraum material, which at the same time heats up to a huge temperature and emits in the area of ​​soft x-rays. In turn, X-ray radiation is absorbed by the thinnest layer on the surface of the fuel capsule (ball with fuel). This also made it possible to solve the problem of premature heating of the inner layers.

However, the laser power was not enough for a noticeable part of the fuel to enter the reaction. In addition, the laser efficiency was very low, only about 1%. In order for the synthesis to be energetically profitable at such a low laser efficiency, almost all compressed fuel had to react. When trying to replace lasers with beams of light or heavy ions, which can be generated with much higher efficiency, scientists also faced a lot of problems: light ions repel each other, which interferes with their focusing, and are slowed down by collisions with residual gas in the chamber, and accelerators It was not possible to create heavy ions with the required parameters.

Magnetic Perspectives

Most of the hopes in the field of thermonuclear energy are now associated with tokamaks. Especially after opening their regime with improved retention. A tokamak is also a Z-pinch rolled up into a ring (a circular electric current flows through the plasma, creating the magnetic field needed to hold it), and a sequence of mirror cells assembled into a ring and creating a “corrugated” toroidal magnetic field. In addition, a field perpendicular to the plane of the torus, created by several separate coils, is superimposed on the toroidal field of the coils and the plasma current field. This additional field, called poloidal, enhances the magnetic field of the plasma current (also poloidal) on the outside of the torus and weakens it on the inside. Thus, the total magnetic field on all sides of the plasma bundle is the same, and its position remains stable. By changing this additional field, it is possible, within certain limits, to move the plasma bundle inside the vacuum chamber.

A fundamentally different approach to the synthesis is suggested by the concept of muon catalysis. A muon is an unstable elementary particle that has the same charge as an electron, but 207 times the mass. A muon can replace an electron in a hydrogen atom, while the size of the atom decreases by 207 times. This allows one core of hydrogen to approach another without spending energy on it. But about 10 GeV of energy is spent on getting one muon, which means the need to produce several thousand synthesis reactions per muon to get energy is beneficial. Due to the possibility of “sticking” of the muon to the helium formed in the reaction, it has not yet been possible to achieve more than several hundred reactions. In the photo - the assembly of the Wendelstein zx stellarator of the Max Planck Institute of Plasma Physics.

An important problem of tokamaks for a long time was the need to create a ring current in plasma. For this, a magnetic circuit was passed through the central hole of the tokamak torus, in which the magnetic flux was continuously changed. A change in the magnetic flux gives rise to a vortex electric field, which ionizes the gas in the vacuum chamber and maintains the current in the resulting plasma. However, the current in the plasma must be maintained continuously, which means that the magnetic flux must continuously change in one direction. This, of course, is impossible, so the current in tokamaks was only able to maintain a limited time (from fractions of a second to several seconds). Fortunately, the so-called bootstrap current was discovered, which occurs in the plasma without an external eddy field. In addition, plasma heating methods have been developed that simultaneously produce the necessary ring current in it. Together, this provided the potential for arbitrarily maintaining a hot plasma. In practice, the record at the moment belongs to the Tore Supra tokamak, where the plasma continuously “burned” for more than six minutes.

The second type of plasma confinement installations with which high hopes are associated are stellarators. Over the past decades, the design of stellarators has changed dramatically. Almost nothing remained of the original G8, and these installations became much closer to tokamaks. Although the retention time for stellarators is shorter than for tokamaks (due to the less effective H mode), and the cost of their construction is higher, the plasma behavior in them is calmer, which means a higher resource of the first inner wall of the vacuum chamber. For the commercial development of fusion, this factor is very important.


Reaction selection

На первый взгляд, в качестве термоядерного топлива логичнее всего использовать чистый дейтерий: он стоит относительно дёшево и безопасен. Однако дейтерий с дейтерием реагирует в сотню раз менее охотно, чем с тритием. Это означает, что для работы реактора на смеси дейтерия и трития достаточно температуры 10 кэВ, а для работы на чистом дейтерии нужна температура более 50 кэВ. А чем выше температура — тем выше потери энергии. Поэтому как минимум первое время термоядерную энергетику планируется строить на дейтерий-тритиевом топливе. Тритий при этом будет нарабатываться в самом реакторе за счёт облучения образующимися в нём быстрыми нейтронами лития.

«Неправильные» нейтроны. В культовом фильме «9 дней одного года» главный герой, работая на термоядерной установке, получил серьёзную дозу нейтронного облучения. Однако позднее оказалось, что нейтроны эти рождены не в результате реакции синтеза. Это не выдумка режиссера, а реальный эффект, наблюдаемый в Z-пинчах. В момент обрыва электрического тока индуктивность плазмы приводит к генерации огромного напряжения — миллионы вольт. Отдельные ионы водорода, ускорившись в этом поле, способны буквально выбивать нейтроны из электродов. Поначалу это явление действительно было принято за верный признак протекания термоядерной реакции, но последующий анализ спектра энергий нейтронов показал, что они имеют иное происхождение.

Режим с улучшенным удержанием. H-мода токамака — это такой режим его работы, когда при большой мощности дополнительного нагрева потери плазмой энергии резко уменьшаются. Случайное открытие в 1982 году режима с улучшенным удержанием по своей значимости не уступает изобретению самого токамака. Общепринятой теории этого явления пока еще не существует, но это ничуть не мешает использовать его на практике. Все современные токамаки работают в этом режиме, так как он уменьшает потери более чем в два раза. Впоследствии подобный режим был обнаружен и на стеллараторах, что указывает на то, что это общее свойство тороидальных систем, однако на них удержание улучшается лишь примерно на 30%.

Нагрев плазмы. Существует три основных метода нагрева плазмы до термоядерных температур. Омический нагрев — это нагрев плазмы за счёт протекания через неё электрического тока. Этот метод наиболее эффективен на первых этапах, так как с ростом температуры у плазмы снижается электрическое сопротивление. Электромагнитный нагрев использует электромагнитные волны с частотой, совпадающей с частотой вращения вокруг магнитных силовых линий электронов или ионов. При инжекции быстрых нейтральных атомов создаётся поток отрицательных ионов, которые затем нейтрализуются, превращаясь в нейтральные атомы, способные проходить через магнитное поле в центр плазмы, чтобы передать свою энергию именно там.

А реакторы ли это? Тритий радиоактивен, а мощное нейтронное облучение от DT реакции создаёт наведённую радиоактивность в элементах конструкции реактора. Приходится использовать роботов, что усложняет работу. В то же время поведение плазмы обычного водорода или дейтерия весьма близко к поведению плазмы из смеси дейтерия и трития. Это привело к тому, что за всю историю лишь две термоядерные установки полноценно работали на смеси дейтерия и трития: токамаки TFTR и JET. На остальных установках даже дейтерий используется далеко не всегда. Так что название «термоядерная» в определении установки вовсе не означает, что в ней когда-либо реально происходили термоядерные реакции (а в тех, где происходят, почти всегда используют чистый дейтерий).

Гибридный реактор. DT реакция рождает 14 МэВ нейтроны, которые могут делить даже обеднённый уран. Деление одного ядра урана сопровождается выделением примерно 200 МэВ энергии, что в десять с лишним раз превосходит энергию, выделяющуюся при синтезе. Так что уже существующие токамаки могли бы стать энергетически выгодными, если бы их окружили урановой оболочкой. Перед реакторами деления такие гибридные реакторы имели бы преимущество в невозможности развития в них неуправляемой цепной реакции. Кроме того, крайне интенсивные потоки нейтронов должны перерабатывать долгоживущие продукты деления урана в короткоживущие, что существенно снижает проблему захоронения отходов.

Инерциальные надежды

Инерциальный синтез тоже не стоит на месте. За десятки лет развития лазерной техники появились перспективы повысить КПД лазеров примерно в десять раз. А их мощность на практике удалось повысить в сотни и тысячи раз. Ведутся работы и над ускорителями тяжелых ионов с параметрами, пригодными для термоядерного применения. Кроме того, важнейшим фактором прогресса в области инерциального синтеза стала концепция «быстрого поджига». Она предполагает использование двух импульсов: один сжимает термоядерное топливо, а другой разогревает его небольшую часть. Предполагается, что начавшаяся в небольшой части топлива реакция впоследствии распространится дальше и охватит все топливо. Такой подход позволяет существенно снизить затраты энергии, а значит, сделать реакцию выгодной при меньшей доле прореагировавшего топлива.

Проблемы токамаков

Несмотря на прогресс установок иных типов, токамаки на данный момент все равно остаются вне конкуренции: если на двух токамаках (TFTR и JET) еще в 1990-х реально было получено выделение термоядерной энергии, приблизительно равное затратам энергии на нагрев плазмы (пусть такой режим и длился лишь около секунды), то на установках других типов ничего подобного добиться не удалось. Даже простое увеличение размеров токамаков приведет к осуществимости в них энергетически выгодного синтеза. Сейчас во Франции строится международный реактор ITER, который должен будет продемонстрировать это на практике.

Однако проблем хватает и у токамаков. ITER стоит миллиарды долларов, что неприемлемо для будущих коммерческих реакторов. Ни один реактор не работал непрерывно в течение даже нескольких часов, не говоря уж о неделях и месяцах, что опять же необходимо для промышленного применения. Пока нет уверенности, что материалы внутренней стенки вакуумной камеры смогут выдержать длительное воздействие плазмы.

Сделать проект менее затратным сможет концепция токамака с сильным полем. За счет увеличения поля в два-три раза планируется получить нужные параметры плазмы в относительно небольшой установке. На такой концепции, в частности, основан реактор Ignitor, который совместно с итальянскими коллегами сейчас начинают строить в подмосковном ТРИНИТИ (Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований). Если расчеты инженеров оправдаются, то при многократно меньшей по сравнению с ITER цене в этом реакторе удастся получить зажигание плазмы.

Вперед, к звездам!

Продукты термоядерной реакции разлетаются в разные стороны со скоростями, составляющими тысячи километров в секунду. Это делает возможным создание сверхэффективных ракетных двигателей. Удельный импульс у них будет выше, чем у лучших электрореактивных двигателей, а потребление энергии при этом может быть даже отрицательным (теоретически возможна выработка, а не потребление энергии). Более того, есть все основания полагать, что сделать термоядерный ракетный двигатель будет даже проще, чем наземный реактор: нет проблемы с созданием вакуума, с теплоизоляцией сверхпроводящих магнитов, нет ограничений по габаритам и т. д. Кроме того, выработка двигателем электроэнергии желательна, но вовсе не обязательна, достаточно, чтобы он не слишком много ее потреблял.


Электростатическое удержание

Концепцию электростатического удержания ионов легче всего понять на примере установки, называемой «фузором». Её основу составляет сферический сетчатый электрод, на который подаётся отрицательный потенциал. Ускоренные в отдельном ускорителе или полем самого центрального электрода ионы попадают внутрь его и удерживаются там электростатическим полем: если ион стремится вылететь наружу, поле электрода разворачивает его назад. Увы, вероятность столкновения иона с сеткой на много порядков выше, чем вероятность вступить в реакцию синтеза, что делает энергетически выгодную реакцию невозможной. Подобные установки нашли применение лишь в качестве источников нейтронов.

Стремясь совершить сенсационное открытие, многие учёные стремятся видеть синтез везде, где только можно. В прессе многократно возникали сообщения по поводу различных вариантов так называемого «холодного синтеза». Синтез обнаруживали в «пропитанных» дейтерием металлах при протекании через них электрического тока, при электролизе насыщенных дейтерием жидкостей, во время образования в них кавитационных пузырьков, а также в других случаях. Однако большинство из этих экспериментов не имели удовлетворительной воспроизводимости в других лабораториях, а их результаты практически всегда можно объяснить без использования синтеза.

Продолжая «славную традицию», начавшуюся с «философского камня», а затем превратившуюся в «вечный двигатель», многие современные мошенники предлагают уже сейчас купить у них «генератор холодного синтеза», «кавитационный реактор» и прочие «бестопливные генераторы»: про философский камень все уже забыли, в вечный двигатель не верят, а вот ядерный синтез сейчас звучит вполне убедительно. Но, увы, на самом деле таких источников энергии пока не существует (а когда их удастся создать, это будет во всех выпусках новостей). Так что знайте: если вам предлагают купить устройство, вырабатывающее энергию за счёт холодного ядерного синтеза, то вас пытаются просто «надуть»!

По предварительным оценкам, даже при современном уровне техники возможно создание термоядерного ракетного двигателя для полета к планетам Солнечной системы (при соответствующем финансировании). Освоение технологии таких двигателей в десятки раз повысит скорость пилотируемых полетов и даст возможность иметь на борту большие резервные запасы топлива, что позволит сделать полет на Марс не более сложным занятием, чем сейчас работа на МКС. Для автоматических станций потенциально станет доступной скорость в 10% от скорости света, что означает возможность отправки исследовательских зондов к ближайшим звездам и получение научных данных еще при жизни их создателей.

Наиболее проработанной в настоящее время считается концепция термоядерного ракетного двигателя на основе инерциального синтеза. При этом отличие двигателя от реактора заключается в магнитном поле, которое направляет заряженные продукты реакции в одну сторону. Второй вариант предполагает использование открытой ловушки, у которой одна из пробок намеренно ослаблена. Истекающая из нее плазма будет создавать реактивную силу.

Термоядерное будущее

Освоение термоядерного синтеза оказалось на много порядков сложнее, чем это казалось вначале. И хотя множество проблем уже решено, оставшихся хватит на несколько ближайших десятилетий напряженного труда тысяч ученых и инженеров. Но перспективы, которые открывают перед нами превращения изотопов водорода и гелия, столь велики, а проделанный путь уже столь значителен, что останавливаться на полпути не имеет смысла. Что бы ни говорили многочисленные скептики, будущее, безусловно, за синтезом.

Статья «Звезды на Земле» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2012). Do you like the article?

The most interesting news from the world of science: fresh discoveries, photos and incredible facts in your mail. OK I agree to the rules of the site Thank you. We have sent a confirmation email to your email.

Recommended

10 km without a parachute: what to do if you fell out of an airplane
2019
Military Technology: Why M & M's Invented
2019
5 easy ways to light a match-free fire in nature
2019