Термоядерный реактор на столе
Обновлено: 08.05.2024
То, что это безграничный и мощный источник энергии, сейчас мало коло волнует. Что в полулитровой бутылке с водой содержится столько же потенциальной энергии синтеза, сколько в бочке нефти, - это тоже сегодня никому не интересно. В наших попытках обуздать термоядерный синтез мы усложнили технологию, решили много проблем, о которых вообще вначале даже не задумывались. Но всё оказалось тщетно…
Да, мы получаем термоядерную реакцию, можем удерживать и нагревать плазму до 100 миллионов градусов по шкале Цельсия. Но этого оказалось мало…
И те элегантные технические решения в середине 20 века, которые сулили нам термоядерную энергетику к началу 2000-х годов (по самым пессимистическим прогнозам), оказались сильным заблуждением.
Да что там говорить! Открыть бозон Хиггса оказалось в разы проще, чем получить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. Такого фиаско от термоядерной энергетики никто не ожидал.
В традиционной атомной энергетике для получения энергии используется реакция деления ядра. В основном, это деление тяжёлого ядра изотопа урана-235, при котором высвобождается около 200 МэВ энергии.
В отличии от тяжёлых ядер, деление лёгких атомных ядер в основном сопровождается поглощением энергии. Тут прослеживается чёткая взаимосвязь. Синтез элементов легче железа в звёздах идёт с выделением энергии, а синтез элементов тяжелее железа идёт с поглощением энергии.
Сама возможность того, что энергию можно получать из самого распространённого вещества во Вселенной, сулит нам решение энергетического вопроса раз и навсегда.
Некоторые изотопы химических элементов очень хорошо захватывают нейтроны и могут быть полезны в термоядерном топливном цикле. Например, изотоп Литий 6 может производить топливо для реактора ,путем деления на тритий и гелий.
Самыми основными и знаковыми вехами развития термоядерной энергетики считаются:
1. 1946 год. Патент Дж.П.Томсона и М.Блэкмана на тороидальный термоядерный реактор с дейтерием. Основная идея была в удержании плазмы слабым магнитном полем, которого, как тогда считалось, будет вполне достаточно для термоядерного синтеза. На основе этой идеи были созданы две установки: «ZETA» - в Англии и «АЛЬФА» - в СССР;
2. 1950 год. И.Е.Тамм и А.Д.Сахаров разработали схему тороидальной камеры на основе расчётов О.А.Лаврентьева. В камере предлагалось удерживать плазму в сильном магнитном поле, пропуская вдоль оси установки электрический ток. На основе этой идеи будет построена «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками» именуемая сокращённо ТОКАМАК;
3. 1951 год. В США стартует проект «Шервуд», ознаменовавший собой начало термоядерных исследований в стране. В этом же году Л.Спитцер предложил идею замкнутой магнитной ловушки для удержания плазмы – Стелларатора (от английского “stella” — звезда).
4. 1952 год. Первые серьёзные сдвиги в исследовании УТС. Была создана установка “БИГ-1”. На ней осуществили прямые заряды в фарфоровой цилиндрической камере, запитываемой конденсаторной батареей. В этом же году проводятся первые опыты по управлению плазменными образованиями;
5. 1955 год. Запуск тороидальной установки «ТМП» с магнитным полем, которая показала состоятельность идеи ТОКАМАКа;
6. 1956 год. В СССР построена первая в стране ловушка с магнитными пробками (зеркалами) – «ПР-1» (Пробкотрон – 1). Это позволило начать полноценные эксперименты с высокотемпературной плазмой;
7. 1958 год. Постройка первого полноценного ТОКАМАКа.
8. 1961 год. Впервые стабилизировано неустойчивое плазменное состояние (палка Иоффе); проведены эксперименты группы М.С.Иоффе;
9. 1969 год. Впервые достигнуты устойчивые показатели плазмы с температурой более 10 миллионов градусов Цельсия (ТОКАМАК Т-3). Начато строительство ТОКАМАКов по всему миру;
10. 1978 год. Начаты работы над международным проектом «ИНТОР». Это первый серьёзный международной проект, объединявший опыт в создании ТОКАМАКов СССР, США, ЯПОНИИ, ГЕРМАНИИ.
11. 1992 год. Старт международного проекта Экспериментального Термоядерного Реактора («International Thermonuclear Experimental Reactor») - «ИТЭР».
Как видно, дело закончилось международным сотрудничеством в области УТС. Всё потому, что параметры, закладываемые в новенькие реакторы, всегда сильно отставали от реальных результатов. С каждой новой установкой образующаяся плазма выдавала новые препятствия. Ни одна из строящихся тогда установок нового поколения: JET (Европейский союз), JT-60 (Япония), Т-15 (СССР) и TFTR (США) - не оправдали возложенные на них надежды. И это при том, что эти ТОКАМАКи обогнали все остальные термоядерные установки в достижении УТС в десятки тысяч раз.
СССР инициировал проект «ИНТОР», конечной целью которого являлась постройка термоядерного реактора с параметрами плазмы, необходимыми для полноценной работы в демонстрационном режиме. На протяжении 2,5 лет инженеры и учёные всего мира сотрудничали в рамках этого проекта. Проект многократно превысил по уровню проработки любой имеющийся на то время термоядерный реактор. Несмотря на впечатляющие достижения в рамках проекта «ИНТОР», учёные пришли к неутешительным выводам.
Термоядерный синтез [своими руками]
В этой статье я хочу рассказать подробнее о фузоре Франсуорта-Хирша и моём опыте в создании этого прибора. На разработку ушло много времени, около 5 месяцев. Сильно сказались моя неопытность и отсутствие необходимых материалов. Однако старания не прошли даром. У меня получилось осуществить то, что я планировал.
Первые попытки
Изначально я хотел создать конечный продукт за минимальный бюджет. Из-за этого первые попытки не увенчались успехом.
Для проекта был заказан неоновый трансформатор, способный вырабатывать около 6000 вольт. Однако оказалось, что он был американского производства и на вход отказывался принимать отечественные 220.
Неоновый трансформатор
Пришлось дополнительно докупать преобразователь с 220 на 110 вольт, который представлял собой обыкновенный трансформатор.
Преобразователь Преобразователь изнутри
На выходе должен быть постоянный ток, а преобразователь выдавал переменный. Для решения этой задачи требовался диодный мост, который бы выдержал высокое напряжение. Было принято решение спаять последовательно несколько диодов на 1000 вольт, подключая при этом к каждому параллельно конденсатор. Такая схема позволила сэкономить большое количество денег, хотя и получилась более громоздкой. Важное замечание: на выходе неонового трансформатора частота 40 кГц, для такой частоты подойдут только быстродействующие диоды(в моём случае HER108). В качестве насоса был взят компрессор от холодильника. Мне показалось это самым выгодным методом откачки воздуха. Однако мощности насоса не хватило для создания нужного вакуума (как и ожидалось) и получился следующий результат:
Тогда появилась идея увеличить напряжение при помощи умножителя напряжения. Для его создания были взяты диоды из диодного моста, высоковольтные конденсаторы пришлось докупать отдельно. Умножитель спаивался по следующей схеме:
Схема умножителя
В результате на выходе получилось чуть меньше 24000 вольт постоянного напряжения, а высокая частота обеспечила малую потерю мощности.
Конечный продукт
Ожидания не оправдались, даже с использованием умножителя результат не изменился. Стало ясно, что для достижения желаемого требуется более мощный насос. Изначально к покупке планировался обыкновенный одноступенчатый вакуумный насос. Однако прошерстив различные форумы, стало ясно, что потребуется двухступенчатый(только он может обеспечить необходимое давление), пришлось вложить немалую сумму денег. Также я более серьёзно подошел в вакуумной системе, металлические трубки и эпоксидная смола были заменены на спаянные пластиковые трубы, что обеспечило лучшую герметичность. Сама сфера была взята из кухонного венчика вот такого типа:
Венчик
Помимо всего прочего, в систему был добавлен шаровой кран для перекрывания воздуха и вакуумметр(вакуумный барометр) для отслеживания давления. Уже готовая схема умножителя была помещена под стекло для изоляции. В качестве герметика при присоединении всего необходимого к банке использовалась уже испытанная эпоксидная смола. Подключение насоса осуществляется при помощи штуцера и специального вакуумного шланга.
Теперь разберёмся с тем, что и куда подключать. С вакуумной системой всё ясно. Главная задача - выкачать как можно большее количество воздуха из банки. Отрицательный контакт необходимо подключить к самой сфере, расположенной в центре банки. Банку изнутри необходимо обмотать проволокой и подключиться к ней положительным контактом. Всё, прибор готов, можно использовать.
Планы по развитию
Конечно, для ядерного синтеза понадобится дейтерий и тритий (подойдёт и обычный водород (протий), в нем, хоть и в малом количестве, содержатся необходимые изотопы). Всё это достать довольно трудно, к тому же придётся потратить внушительную сумму денег. Помимо всего этого, понадобятся детекторы, способные фиксировать нейтроны(самым дешевым вариантом будут пузырьковые, но стоимость в 300 долларов за пузырёк жидкости заставляет задуматься). Конечно, в планах всё это реализовать и довести проект до завершения. Это потребует больших финансовых вложений. Надеюсь, это получится когда-нибудь осуществить.
Итоги
Так зачем же всё это нужно? Во-первых, для удовлетворения собственных потребностей в изобретении чего-либо красивого. Во-вторых, фузор Франсуорта-Хирша - наверное самый доступный источник нейтронов. Возможно, кому-то понадобиться такой аппарат для собственных исследований. Надеюсь, что мои ошибки кому-нибудь помогут и защитят от лишних трат и потерь времени.
Термоядерный реактор у себя дома
Что такое термоядерный реактор? Как собрать термоядерный реактор у себя дома? Согласитесь это довольно интересная тема, но сначала немного теории.
Термоядерные реакции - это реакции слияния ядер атомов, если ядра легкие, до железа по таблице Менделеева, то в процессе выделяется энергия. Так все ядра положительно заряжены, чтобы их соединить нужна очень большая скорость. Наиболее подходящее для этого место - это ядра звезд. При гигантской температуре в миллионы градусов Цельсия вещество переходит в состояния плазмы, месиво из электронов и голых ядер, они двигаются с огромной скоростью, сталкиваются, выделяя энергию и нагревая всех остальных.
Но вот вопрос, можно ли всё это повторить в земных условиях? как разогреть вещество до миллионов градусов, и сделать так, чтобы оно не расплавило всё вокруг? Для решения этих проблем учёные разработали разные схемы.
Одним из самых эффективных принципов является принцип удержания плазмы с помощью магнитных полей. На таких принципах работают токамаки, где плазму заворачивают в тор.
Это самый распространённый вид термоядерных реакторов на которые возлагают большие надежды.
Другой подход - инерциальное удержание. На замороженную тритийдейтериевую мишень, размером с булавочную головку, направляют более сотни очень мощных лазеров. Они разогревают её до миллионов градусов, сжимают в тысячи раз и там запускается термоядерная реакция. Такие реакторы работают в импульсном режиме, так как вещество трудно удержать и оно разлетается, да и еще вещество должно сжиматься симметрично со всех сторон.
Ещё плазму можно удерживать с помощью электрических полей. Где частицы скитаются между отрицательным и положительным зарядом, но для электростанций не подходит, потому что энерговыделение очень маленькое. Но зато такой способ достаточно прост и нагляден. Именно его мы будем использовать в нашем домашнем термоядерном реакторе.
В качестве топлива в термоядерных реакторах планируют использовать дейтерий и тритий. Реакция дейтерия с тритием невероятно чистая. Она даёт только гелий и нейтроны. Но к сожалению ещё ни в одном реакторе не удалось получить энергии больше, чем было потрачено на неё.
Теперь о нашем, домашнем реакторе. Наш реактор будет удерживать плазму с помощью электрических полей. Он будет состоять из вакуумного колпака, вакуумного стола и вакуумной системы, которая будет поддерживать необходимы вакуум, и еще высоковольтный источник питания, который выдает 25 кВ постоянного напряжения. Внутри колпака находиться металлическая сфера на которую подано отрицательное напряжение и спираль, на которую подано положительное напряжение.
Как это работает? Когда система откачана, увеличивается длина свободного пробега молекул и происходит такое явление как электростатическое удержание. Но это происходит не с каждым веществом. Для этого нам нужен дейтерий. Один из подходящих газов для запуска в систему - это водород. В нем содержится немного дейтерия.
Светящаяся область это и есть электростатическая ловушка, там максимальное количество ионов и термоядерный синтез происходит в центре этой области. Луч просто показывает отклонения в электрическом поле.
Существует критерий Лоусона, который определяет эффективность синтеза и в нашей системе потери превышают выделяемую энергию где-то в 10-20 тысяч раз. Поэтому нашу установку можно использовать только как макет термоядерного реактора. Но согласитесь, выглядит достаточно эффектно и собрав такой у себя дома можно удивить всех своих знакомых.
Ядерный реактор – дома с нуля
Некоторое время назад я публиковал статью о самодельных микропроцессорах, сегодня же мы затронем более сложную и щекотливую тему (особенно в свете событий на Фокусиме) – создание ядерного реактора, способного генерировать энергию в домашних условиях. И перед тем как вы начнете волноваться, вспоминая о негативных опытах в прошлом (см. Радиоактивный бойскаут – наковырявший прилично амерция-241 из детекторов дыма) заранее скажу, что все что описано в этой статье – относительно безопасно (по крайней мере не опаснее работы с фтороводородной кислотой дома), но крайне не рекомендуется к повторению. Перед любыми действиями проконсультируйтесь со своим адвокатом — законы разные в разных странах. Много кто уже сидит.
Какие у нас есть пути создания домашнего ядерного реактора?
Термоядерная реакция
Тяжелый водород (дейтрий) относительно несложно получить и в домашних условиях — всего то нужен многостадийный электролиз обычной воды. Но вот с реактором до сих проблемы даже у ученых, и не первый десяток лет (и это не учитывая, что дейтрий — далеко не самое легкое в использовании термоядерное топливо)
Ядерная реакция деления
В простейшем случае — нужен просто природный уран без обогащения и немного воды (хехе, «Просто добавь воды»: вода — и замедлитель, и отражатель нейтронов). Проблема в том, что надо этого добра сотни тонн, и за вами точно придет доктор, даже если вы 0.1 грамма попробуете найти / купить / унести.
Тут в унынии нам остается обратить взоры в небо, и посмотреть на чем летают межпланетные корабли — там просто кусок радиоактивного материала, который за счет естественного распада нагревается, и элементами пельтье получают энергию. (Кстати естественный распад — собственно главная физическая причина всех бед на Фокусиме — после остановки ядерного реактора в первые минуты за счет распада выделяется 7% номинальной мощности, в первые недели — ~1%, затем падает до 0.1%. Т.е. от 700МВт реактора в первые недели надо отводить 7МВт тепла, и этот процесс не остановить)
Попробуем подумать в этом направлении: Есть 3 основных вида радиоактивного распада:
Гамма-распад
Источники гамма излучения широко используются в медицине и промышленности, в основном на основе Кобальта-60/Цезия-137 (печально известного по ядерным катастрофам). Проблема в том, что излучение их очень жесткое, крайне опасное, и от него и сантиметром свинца не защититься (см. веселое свечение Вавилова-Черенкова справа — выбитые гамма-квантами электроны, движущиеся в воде со сверхсветовой скоростью излучают энергию в видимом диапазоне). Так что обходим их стороной как можно дальше. Ну и кроме того, за нелегальную сбыт/покупку гамма-источников каждый год садится куча людей
PS. Справедливости ради стоит заметить, что гамма-квант в данных случаях выделяется не непосредственно, а в результате распада одного из дочерних короткоживущих элементов.
Альфа-распад
Источники альфа-излучения активно применяются в детекторах дыма, для облегчения зажигания искры, в некоторых радиолампах. Один из наиболее известных — упомянутый в начале Америций-241. От альфа-излучения легко защититься даже листком бумаги, но с ними другая опасность: они чрезвычайно опасны если их вдохнуть/проглотить. См. миф об отравлении Кровавой Гэбней Литвиненко. Кроме того, наковырять количества больше микрограммов нереально, потому о термоэлектрических генераторах придется забыть. А жаль — ведь на основе альфа-распада работают наиболее эффективные генераторы энергии. Самый лучший — Плутоний-238 (Не путать с 239) — отдает 0.5 Ватта тепла на 1 грамм массы, полураспад 87 лет (цена — 1 мегабакс за кило).
Бета-распад
Источники мягкого бета-излучения (в сущности, электроны/позитроны) умеренно хорошо экранируются, и обладают чертовски полезным качеством: при попадании электрона в люминофор можно вызвать его свечение. Ну и как побочный эффект — в большинстве стран мира «безопасные» бета-излучатели достаточно легальны. Чем и пользуются изготовители всяких светящихся брелков, как на первой фотографии. Пожалуй, на основе бэта-распада мы и будем строить свой ядерный реактор.
О безопасности
Мягкое бета-излучение за пределы капсулы выйти не может, гелий не радиоактивен. Проблема может быть лишь в случае повреждения капсулы. Если тритий вдохнуть — то заражение будет минимальным, т.к. водород напрямую организмом не усваивается. Но если он сгорит, то вода может стать частью клеток, и тогда вы получите всё облучение, которое может только выжать этот микроскопический кусочек трития. Так что, не ломайте, не сжигайте и не вдыхайте то что получилось.
Итак, Тритий — сверхтяжелый водород, период полураспада 12.32 года. На выходе имеем гелий и очень «мягкие» электроны — 6.5кЭв (+антинейтрино, для ценителей). Энергию будем собирать солнечной батареей, подавать на вход Step-Up стабилизатора MCP1640 — работает до десятых вольта на входе, на выходе — ионистор на 1 Фарад и 5В. В нашем случае нагрузкой будет красный светодиод.
Для того, чтобы собрать как можно больше света, нашу капсулу с тритием помещаем в отражатель из фольги.
Для фокусировки используем 2 линзы по 10 диоптрий, видна солнечная батарея до приклеивания, капсула не установлена.
Подключаем, выключаем свет, ждем минуту для первоначального заряда ионистора, и вот результат:
Первая электроэнергия, произведенная ядерным реактором, созданным в домашних условиях :-)
Халява?
О нет :-) В среднем реактор выдает мощность около 7 милливатт (а через 12.32 года будет 3.5 ), и хоть для светодиода этого достаточно, ноутбук от него не зарядить ) Но с другой стороны, десяток таких модулей вполне сможет держать сотовый телефон в режиме ожидания пару десятков лет :-) Правда цена… Капсула стоит 9.7$, солнечная батарея 5$, линзы 13.8$*2 — уже 42$ за модуль. А за десяток придется отдать 420$… С другой стороны — на сайте есть капсулы побольше — но за 35.
Старшеклассники собрали термоядерный реактор в гараже и ставят эксперименты
Самодельный фузор
Бывает, что школьные уроки физики скучны, хочется серьёзных экспериментов, а не поджигать спирт в пробирке. Почему бы тогда не собрать у кого-нибудь гараже термоядерный реактор? Именно это сделали школьники в городке Федерал Вей, штат Вашингтон. Как выяснилось, сборка фузора Фарнсуорта под силу даже любителю.
Каждую пятницу около 20 энтузиастов собираются в подвале скромного дома в Федерал Вей и ставят различные эксперименты. Этот клуб экстремальной науки — идея Карла Гренингера (Carl Greninger), программного менеджера Microsoft (днём) и энтузиаста-учёного (вечером). У него вызывает тревогу нынешняя система школьного образования, которая не даёт детям познать реальное удовольствие от экспериментальных открытий.
Так появился Extreme Science Club. За последние годы им удалось выиграть несколько наград на региональных научных конкурсах, занять 4-е место на мировом конкурсе ISEF, а также получить более $250 000 стипендий для обучения участников клуба в колледжах.
В данный момент ребята исследуют упругие столкновения в физике плазмы и выполняют расчёты потока бора в ядерной биохимии, сказано на официальном сайте.
Фузор Фарнсуорта–Хирша — небольшой термоядерный реактор, который сконструировали американские изобретатели Фило Тейлор Фарнсуорт и Роберт Хирш в 1964 году. С тех пор было изготовлено несколько вариантов фузера, но этот вид реактора и близко не может приблизиться к критерию Лоусона, так что для коммерческих целей подходит реактор другого типа — токамак.
В фузоре дейтерий подаётся под низким давлением в сферическую камеру реактора.
Сферическая камера реактора
Центральная решётка в камере находится под очень высоким отрицательным напряжением, а камера заземлена. В результате электроны отрываются от атомов водорода, а камера наполняется положительно заряженными дейтронами. Эти ядра на высокой скорости устремляются в центральную решётку реактора, некоторые пролетают сквозь неё и сталкиваются в центре. Все промахнувшиеся дейтроны, в идеале, затем полетят обратно и тоже столкнутся друг с другом. В любительских фузорах центральная решётка обычно имеет диаметр 3-5 см, а камера может быть сферой с диаметром 20 см.
Вот как выглядит «гаражный фузор» с панелью управления на верхней полке и вакуумной системой и источником напряжения на нижней полке.
Некоторые другие любительские фузоры.
Фузор школьников в Федерал Вей
Детали для вакуумной системы и источника напряжения добывались на eBay и с университетских складов. Иногда там можно купить очень много деталей по сотне баксов за каждую, которые потом перепродать на том же eBay по тысяче.
Баллоны с дейтерием несложно достать в коммерческих фирмах.
Детектор нейтронов нашего фузера продаются в канадской компании BTI (пузырьковый детектор нейтронов).
На форумах по фузорам дадут много советов, где и что нужно покупать.
Наверное, такие установки можно собирать на практических занятиях и в отечественных школах.
Читайте также: