рейтинг блогов

70-летний токамак, как грааль чистой энергетики или как морковка перед носом

топ 100 блогов alex_rozoff27.05.2021 Теги: Лоу Как уже ясно из заголовка, речь пойдет об идее управляемого термоядерного синтеза в водородной плазме, удерживаемой тороидальной магнитной ловушкой. Эту схему предложили Андрей Сахаров и Игорь Тамм в 1951 году для будущего термоядерного реактора, который работал бы по тому же принципу, что звездный нуклеосинтез. Почти одновременно та же идея была выдвинута в США [1]. И началась научно-техническая гонка (типичная для периода Первой Холодной войны в любой потенциально прорывной области) С тех пор прошло 70 лет.
В 2001-м на полувековом юбилее этой истории докладчику был задан прямой вопрос: В 1981-м вы обещали термоядерную энергетическую установку через 20 лет, они прошли, и снова вы обещаете через 20 лет, не слишком ли похожа тема токамаков на фольклорную морковку перед носом идущего осла?
Докладчик отшутился, что мол постоянство планов - признак мастерства.
Шутки - шутками, но вот прошли эти 20 лет, и мы видим сегодня очередное сотрясение морковки перед носом осла: "Эксперты считают, что первые результаты эксперимента в Великобритании могут помочь устранить препятствия на пути к коммерческой энергетике, основанной на ядерном синтезе... реализации планов по созданию прототипа термоядерной электростанции под названием Step в Великобритании. Ожидается, что она войдет в строй где-то в 2040-х годах". [2]
70-летний токамак, как грааль чистой энергетики или как морковка перед носом
"Коммерческий термоядерный реактор на подобном принципе, если он станет реальностью, а это ожидается в Великобритании через 20 лет, не потребует частых и регулярных ремонтов в виде восстановления внутреннего защитного покрытия, что сделает эксплуатацию реакторов коммерчески оправданной" [3].
...Давайте уже разберемся о чем СЕГОДНЯ идет речь при очередном 20-летнем обещании.

Всего лишь о том, что при сохранении принципа тороидальной магнитной ловушки, сама камера для плазмы сделана не тороидальной, а сферической. Этот проект, известный в Британии как MAST, а в России - как Глобус-М2, существует с середины 1990-х [4]. Ни в коем случае не отрицая, что эти исследования могут добавить много интересного к знаниям о прикладной физике плазмы, можно уверенно сказать: этот шаг приблизит нас к промышленной термоядерной электростанции не более, чем шаг фольклорного осла приближает его морду к морковке.
Вот что реально имеется в британской установке MAST: камера объемом 8 кубометров, где водородная плазма с температурой 150 миллионов градусов Кельвина и плотностью порядка 10 в 20 степени частиц на кубометр удерживается порядка секунды за счет тока порядка миллиона ампер в катушке, создающей магнитное поле. Ничего больше.
При работе установки MAST потребляется мощность 5 мегаватт.
Для удобства понимания, пересчитаем количество удерживаемой плазмы в массовые единицы по закону Авогадро, и получим: примерно 1.3 миллиграмма по легкому изотопу водорода (1H) или 2.6 миллиграмма по тяжелому изотопу водорода - дейтерию (2H).
Ладно. Не будем придираться к соотношению количества удерживаемой плазмы и потребляемой для этого мощности. Установка, все-таки, экспериментальная.
Давайте выясним, достаточна ли температура 150 миллионов Кельвина для зажигания термоядерной реакции? Кулоновский барьер для изотопов водорода составляет порядка 0.1 МэВ, или порядка миллиарда Кельвина [5]. В среднем наша плазма оказывается холодновата, но нас выручит распределение по скоростям (т.е. у значительного количества частиц все-таки окажется достаточно энергии для столкновения).
Теперь давайте определим, можно ли в принципе получить положительный энергетический выход на установке с такими параметрами удержания плазмы? На этот вопрос нам ответит критерий Лоусона [6]. Он имеет размерность с/м3 и показывает, сколько времени при какой плотности надо удерживать плазму того или иного состава для положительного выхода энергии при термоядерной реакции в ней.

Рассчитанные критерии Лоусона составляют:
- для дейтерия > 10 в 22 степени
- для смеси дейтерий-тритий > 10 в 20 степени
Таким образом, при наших параметрах плазмы нам нечего надеяться на дейтерий, но мы можем достичь успеха на смеси дейтерий - тритий (сверхтяжелый водород 3H)...

...Увы. Расчет на тритий сразу лишает нашу установку практического смысла. У трития есть четыре неприятные особенности:
I - Тритий не долгоживущий изотоп, его период полураспада чуть более 12 лет.
II - Соответственно, тритий довольно токсичен (впрочем, не запредельно).
III - Тритий технологически весьма сложно производить (и в мире на АЭС производится всего несколько килограммов трития в год)
IV - Соответственно, тритий очень дорог, около 30.000 долларов за грамм.

Даже если не смотреть на жуткую цену (п. IV), есть некая черная ирония в том, что тритий производится лишь на АЭС (п. III) и ради снабжения "грааля чистой энергетики" всего килограммом трития в год придется строить очередную урановую АЭС тепловой мощностью несколько гигаватт.

Какой из всего этого вывод?
А просто: хватит цепляться за токамак - это побочное дитя военной программы разработки термоядерных бомб годится лишь для исследовательских целей. Для новой ядерной энергетики он просто не подходит. Но для этого подходит немало других процессов:
Например - реактор бор-протонного синтеза [7].
Или например, всеядный субкритический реактор на быстрых протонах [8].
Это не говоря уже об экзотических трансмутации элементов, или о не менее экзотических туннельных ядерных реакциях в кристаллах металлическом водорода или в ячейках суперионного льда.
В общем, есть о чем задуматься.

...Такие дела...
---------------------------------------------
1) https://ru.wikipedia.org/wiki/Токамак
https://ru.wikipedia.org/wiki/Звёздный_нуклеосинтез
2) 26.05.2021 Эксперимент в Великобритании может преодолеть препятствие для термоядерного синтеза
https://www.bbc.com/russian/news-57203025
3) 26.05.2021 Британия приблизила эру доступного термоядерного синтеза с запуском обновлённого сферического токамака MAST
https://3dnews.ru/1040485/britaniya-priblizila-eru-dostupnogo-termoyadernogo-sinteza-s-zapuskom-obnovlyonnogo-sfericheskogo-tokamakamast
4) https://en.wikipedia.org/wiki/Mega_Ampere_Spherical_Tokamak
https://www.atomic-energy.ru/news/2020/11/03/108446
https://www.rscf.ru/news/presidential-program/tokamak-globus-m2/
5) https://ru.wikipedia.org/wiki/Термоядерная_реакция
6) https://ru.wikipedia.org/wiki/Критерий_Лоусона
7) ЖЭТФ (2016) Безнейтронная ядерная реакция при инерциальном удержании
замагниченной плазмы лазерно-ускоренных протонов и ядер бора
http://www.mathnet.ru/links/5b868fc8d420a2d4f63bde5189d24125/jetpl4997.pdf
28 августа 2016 Чистая энергия за копейки
https://habr.com/ru/post/397025/
8) February 22, 2013 Accelerator Driven Subcritical Reactors. Panos Baxevanis
http://large.stanford.edu/courses/2013/ph241/baxevanis1/
https://en.wikipedia.org/wiki/Accelerator-driven_subcritical_reactor

Оставить комментарий



Предыдущие записи блогера :
Архив записей в блогах:
Нельзя не признать, #США ввели свои новые #санкции против «Северного потока – 2» гроссмейстерски точно и мастерски удачно. Как раз в тот момент, когда все уверовали, что газопровод удастся достроить вопреки всему. Ведь одной его нитке осталось до золотого стыка всего 90 км, ...
Вы знаете что такое "тобико"? Ну, конечно, все знают - мелкая красная икра, которую в японской кухне используют для приготовления суши. А вот чья конкретно икра, лично я, например, до недавнего времени не знала. А тут так случилось, пятнадцатый мой ...
В комментарии к посту о "Проклятье рода Гримальди" , мы с trianda не удержались и начали обсуждать современных принцев и принцесс. Я решила сделать подборку современных королевских пар и вынести тему на всеобщее обсуждение. Какие пары вам интересны (в посте представлены свадьбы ...
Вот интересно, как у них так получается - одновременно кричать "вывсеврете", "это заговор против РФ и лично против Него" и тут же умолять допустить в Рио "чистых" спортсменов, признавая тем самым наличие "грязных". Они еще, по ны нешней моде  "открытое письмо матерей легкоатлетов" ...
Очень любят девчонки перекладывать ответственность за все подряд на мужиков. Я девочка, я не хочу ничего решать, я хочу платье... Всегда тошнило от этого. Я хочу все решать сама, да. Мне нравится решать. Куда поехать в отпуск, какой отель выбрать, в каком районе купить/снять квартиру, каку ...
  • sihyuk_hyeong : лоу ки, после недавнего просмотра дэнс практик, хотела возвращения тёмных волос... но... *вздох* что имеем, то имее… https://t.co/IlWhKBiadn

  • XfwypXl94rgPzeg : @verysexydasha Джуд Лоу там невероятный