Достать звезду с неба. Термояд (ч.1)

Аватар пользователя Антон

Вдохновившись во время отпуска трудами AY, решил написать небольшую серию заметок про незаслуженно, на мой взгляд, обделяемую вниманием (и средствами) сильными мира сего тему управляемого термоядерного синтеза. Почему-то субсидировать зелёную энергетику на десятки лярдов евро в год - это нормально, а потратить 10 млрд $ за 10 лет на ИТЭР - это много. Но обо всём по порядку.

Старался писать так, чтобы текст был понятен любому, имеющему среднее образование, при этом не опуская важных моментов. Понимаю, что среди читателей есть немалое число специалистов в данной области, поэтому буду рад ценным замечаниям, уточнениям и дополнениям. 

Итак...

Итак, 10 лет назад мы сказали, что потребуются 20 лет, чтобы синтез заработал,

и сейчас мы скажем, что потребуются 20 лет, чтобы заставить синтез работать,

так что нашу позицию мы не изменили»

Министр технологии Британии Энтони Бенн, 1967

Между первым испытанием атомной бомбы летом 1945 года и запуском первой атомной электростанцией летом 1954, прошло менее 10 лет.  Советские учёные подчинили энергию деления тяжелых ядер и сумели использовать её в созидательных целях в рекордно короткие сроки. 

Аналогичные надежды возлагали учёные на мирное использование энергии термоядерного синтеза. Однако, к сожалению, всё оказалось не так просто.

Немного теории.

Заранее прошу прощения за наличие в тексте некоторых элементарных вещей из школьной программы, но так заметка будет более стройная. Кроме того ясно, что не все имеют отношение к физике, а многие уже забыли, что проходили.

Чтобы удалить из атомного ядра один нуклон (протон или нейтрон), необходимо затратить определённую энергию. Эта энергия называется энергией связи. Её величина равна разности массы ядра с суммой масс протонов и нейтронов, из которой оно состоит, умноженной на квадрат скорости света (Энштейновскую формулу E=mc2, думаю, все знают). То есть получается, что часть массы исходных частиц тратится на связь частиц между собой.

Эта энергия зависит от атомного веса ядра. Зависимость выглядит вот так:

Видно, что до ядер с массой 60, энергия связи увеличивается, то есть при получении ядра (с массой до 60) из более лёгких всегда будет выделяться энергия, так как масса итогового ядра будет меньше массы исходных. (Аналогично, что при делении тяжёлых ядер типа урана, тоже выделяется энергия, но также по графику видно, что при синтезе лёгких ядер энергии можно извлечь больше).

Сам механизм синтеза предельно прост для понимая. Два ядра надо сблизить настолько, чтобы в дело вступило короткодействующее сильное взаимодействие, то есть чтобы две частицы "слились" в одну. Этому будет мешать известное со школы кулоновское отталкивание протонов. В цифрах это выглядит очень здорово. Чтобы сблизить на достаточно близкое расстояние два изотопа водорода (протон + 1 или 2 нейтрона) надо затратить энергию  около 0,15 МэВ (1 эв = 1,6*10-19Дж), при этом в результате синтеза выделяется до 17,6МэВ (реакция D+T (дейтерий + тритий)). 

То есть, столкнув два изотопа водорода на больших скоростях можно получить атом гелия с выделением энергии в 100 раз большей, чем было затрачено на разгон исходных частиц. Казалось бы, всё просто, наливай да пей, поставь мишень и бомби её разогнанными частицами. Однако жизнь оказалась немного сложнее.

Проблема в том, что далеко не каждое столкновение приводит к синтезу (а лишь одно на 100 000). Кроме того происходит ряд других процессов, которые отнимают переданную энергию и делают синтез невозможным. Поэтому реакция с положительным выходом энергии становится возможна только при очень высоких температурах, когда вещество превращается в плазму.

Вероятность реакции синтеза описывается  величиной, называемой сечение реакции. Сечение зависит от энергии взаимодействующих частиц таким вот образом:

По оси ординат здесь сечение реакции( измеряется в см2 или барнах, 1б = 10-24 см2)  , по оси абцисс – энергия налетающей частицы в КэВ)

Понятно, что для каждой пары частиц сечение своё. И как видно, наиболее «просто» и при наименьших энергиях реакция идёт при столкновении дейтерия и трития, именно эту реакцию и будут пытаться получить в ИТЭРе (но об этом немного позже).  

Параметры других реакций (в будущем некоторые ещё пригодятся) приведены в таблице:

p – протон

n - нейтрон

D – дейтерий (p+n)

Т – тритий (p+2n)

Также присутствуют изотопы Гелия и Лития.

Из таблицы видно, что смесь D-T выигрывает и по другим параметрам, а не только максимальному сечению реакции.

Таким образом, для положительной разницы полученной и затраченной энергий, должны находиться в определённом соотношении следующие величины: 

  • Температура (задаётся реакцией, которую необходимо получить, для смеси D-T – это 100 миллионов градусов);
  • плотность частиц (чтобы частицы сталкивались достаточно часто);
  •  время удержания смеси (чтобы частицы сталкивались достаточно долго).

Критерий, связывающий эти параметры, при котором система начинает выдавать больше, чем получила, был установлен в 1957 году американским учёным Лоусоном.

Графически критерий Лоусона выглядит так:

Произведение плотности частиц на время удержания для данной конкретной реакции находится в зависимости от температуры (указаны различные КПД преобразования энергии синтеза в электроэнергию)

Считается, что для смеси D-T произведение n*t должно быть более чем 2*1014 c*см-3.

Такое условие даёт два пути для зажигания реакции ядерного синтеза – увеличение концентрации на короткий промежуток времени, либо создание стабильной системы с большим временем реакции, но небольшими концентрациями. Уже в 50-е годы учёные начали работы в обоих направлениях.

А вот почему мы, спустя уже 50 лет, до сих пор жжём углеводороды и когда, наконец зажжём на Земле созидающую звезду (разрушающих взорвали достаточно много) – в следующих статьях.

Комментарии

Аватар пользователя slw068
slw068(9 лет 10 месяцев)

Нам не нужна "просто" энергия. Нам нужна либо тепловая (с температурой в определенных пределах), либо непосредственно электрическая. В противном случае в ТОКОМАК можно засунуть термоядерную бомбу. У неё однозначно положительный выход энергии.

Аватар пользователя Читаювсё
Читаювсё(9 лет 11 месяцев)

э-э, нет ! если посчитать все затраты энергии на создание термоядерной бомбы - положительного баланса не получится.

ОЙ сказал ! ;)

Аватар пользователя slw068
slw068(9 лет 10 месяцев)

Это от количества бомб зависит ;)

Аватар пользователя greygr
greygr(9 лет 9 месяцев)

плюс кривая опыта.

Аватар пользователя Антон
Антон(9 лет 10 месяцев)

Если обратили внимание, то в критерии Лоусона уже учтен КПД переработки энергии синтеза в элетрическую. Про непосредственно электростанции я хотел написать в последней части.

p.s. И да, серия небольших термоядерных взрывов в сфере с последующем выводом тепла - один из вариантов.

Аватар пользователя AlterDraconis
AlterDraconis(9 лет 10 месяцев)

Есть мнение: некоторые вещи возможны только в определённых масштабах. Например, туннельный эффект возможен лишь при сверхмалых размерах, а устойчивая термоядерная реакция (солнце) только при сверхбольших. Так возможно ли вообще получить устойчивую реакцию в малых масштабах?

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(9 лет 11 месяцев)
Малых - это каких ?
Аватар пользователя nictrace
nictrace(9 лет 10 месяцев)

размером с батарейку для "айфона" )

Аватар пользователя Антон
Антон(9 лет 10 месяцев)

вот такую:

производитель утверждает, что на 20 лет работы телефона хватит :)

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(9 лет 11 месяцев)

В ней нет ничего термоядерного. Просто бета-распад.

Аватар пользователя Антон
Антон(9 лет 10 месяцев)

это я знаю :)

Ассоциативно со словами тритий и батарейка для смартфона сюда повесил.

Аватар пользователя nictrace
nictrace(9 лет 10 месяцев)

современный смартфон жрет приличные токи. Если такая штука реально обеспечит 20 лет - это прорыв! :)

Аватар пользователя Антон
Антон(9 лет 10 месяцев)

производитель пишет, что один аккумулятор даёт токи до 350 нА при напряжении 2,4В

Аватар пользователя roman.kuvaldin
roman.kuvaldin(9 лет 11 месяцев)

Всего три миллиона батареек - и можно запитать USB?

Аватар пользователя nictrace
nictrace(9 лет 10 месяцев)

ну, если очень постараться, можно найти микроконтроллер, которому хватит 500 нА :)

хотя сомневаюсь... Разве что для спящего режима.

Аватар пользователя Антон
Антон(9 лет 10 месяцев)

да, чё-то какие-то фуфловые батарейки.

Аватар пользователя evm11
evm11(9 лет 2 месяца)

Есть такие. MPS430 от Texas Instrument потребление 250нА на частоте 1МГц. используются в устройствах типа портативные цифровые мультиметры (вольты, амперы, омы померять).

Аватар пользователя SergeyVBNM
SergeyVBNM(9 лет 6 месяцев)

20 лет никому не нужно, слишком много. От силы 3 года, больше бытовая электроника на батарейках в одних руках очень редко держится

Комментарий администрации:  
*** Зассыха, интеллектуально пресмыкающаяся перед США ***
Аватар пользователя nictrace
nictrace(9 лет 10 месяцев)

хорошо, пусть 2 года, но 500 мА :)

Аватар пользователя SergeyVBNM
SergeyVBNM(9 лет 6 месяцев)

мне почему-то кажется, что обычный аккумулятор будет значительно дешевле и пока что меньше в объёме-массе

Комментарий администрации:  
*** Зассыха, интеллектуально пресмыкающаяся перед США ***
Аватар пользователя Антон
Антон(9 лет 10 месяцев)

ну дешевле - это точно. Эти пока более чем по 1000 зелёных идут. А вес скорее у этих меньше.

Аватар пользователя nictrace
nictrace(9 лет 10 месяцев)

с наноамперами таких ведро надо, чтоб запитать тот же айфон...

Аватар пользователя Дануна
Дануна(8 лет 7 месяцев)

 А если какой нибудь любознательный 7-ми летний пацан разберёт эту реальную штуку?  Детки ведь иногда бывают весьма умны, изобретательны и настойчивы.

Аватар пользователя Антон
Антон(9 лет 10 месяцев)

Так возможно ли вообще получить устойчивую реакцию в малых масштабах?

об этом будет в следующей части. Никаких теоретических ограничений на создание такой системы нет.

Аватар пользователя Дануна
Дануна(8 лет 7 месяцев)

Примерно в первой половине 80-х в СССР строился МГД генератор. В ауке и Жизнь об этом писали. Обещали на выходе +100 МВт.

Чем дело то кончилось? 

Аватар пользователя Already Yet
Already Yet(9 лет 7 месяцев)

И тем не менее - МГД-генератор на какой-нибудь пороховой шашке - лучший друг газовиков, нефтяников и вообще - всех геофизиков.

А где им иначе в тайге мегаватты мощности добыть? ;)

Другой вопрос, что эти мегаватты им доли секунды нужны, им дизелёк размером с машину "Урал" нахрен не сдался на их задачи.

У МГД-генератора были неустранимые проблемы синхронизации с сетью. Но сейчас их, кстати, уже гораздо проще решить.

Аватар пользователя Андрей Гаврилов

>У МГД-генератора были неустранимые проблемы синхронизации с сетью. Но сейчас их, кстати, уже гораздо проще решить.


- дык, импульсный режим жо. У меня первая жена на такой МГД установке жахала, настрел делала, диссер писала. Идея - делать непроницаемый плазменный поршень при небольших токах, используя T-слой (как раз непроницаемость "плазменного поршня" проверяла). Газ толкает поршень, совершается работа, плазменный прошень вылетает из трубы вместе с газом, новый цикл; все счастливы. Делай это 50 раз в секунду - и вот тебе и переменный ток. 


Это, кстати, как большой плюс данного подхода рассматривался - уменьшение потерь на преобразователях постоянный-переменный ток. Хотели всю эту байду на тепловых станциях использовать, КПД какой-то чудовищно большой выходил по рассчетам.


А те экспериментальные МГД-мегадуры, которые в союзе далали для нужд большой энергетики, там (а лабе) ругали в голос (и за дело), большой канал - неустойчивости, и т.д., и т.п. В том числе претензии к непрерывному режиму. 



А еще эту штуку у гиперзвуковому прямоточнику прикрутить мечтали (соотвествующие работы прилагаются), поток тормозить, чтобы топливо дожигалось (в области перед плазменным поршнем)... И-ехь...

Аватар пользователя LAlexander
LAlexander(9 лет 8 месяцев)

Примерно в первой половине 80-х в СССР строился МГД генератор. В ауке и Жизнь об этом писали. Обещали на выходе +100 МВт.

Чем дело то кончилось? 

 

Ничем. Выяснили, что в пристеночной области образуется слой нейтрального газа, который очень сильно повышает внутреннее сопротивление генератора и катастрофически снижает КПД. После чего направление фактически умерло.

Аватар пользователя Андрей Гаврилов

 это же про ту дуру с огроменным соплом, и неперывным режимом? А что они еще хотели-то в таких раскладах.

Аватар пользователя андрей
андрей(9 лет 9 месяцев)

Есть основополагающий принцип науки: совокупность чего-либо должна иметь совершенно новое свойство, а не просто сумму свойств каждого компонента в отдельности. Только тогда это будет признано изобретением или открытием.

Пример: крыло само не летает, и двигатель не летает, и компьютер не летает. А вот соединенные вместе, получают совершенно новое свойство-летающй самолет.

Так вот, ГЛАВНАЯ проблема современной науки, сводящая на нет все потуги, в том числе и по термояду-НЕТ НОВЫХ ИДЕЙ.

То что сделали размером с дом 60 лет назад - не получилось. Потом сделали размером со стадион. Опять не получилось. Теперь говорят-сделаем размером с маленький город, может получится.... И теперь не получится, потому что пытаются сделать то же самое.

Вторая причина-то, что почему-то уповают на математику. А математика не может делать открытия. Самый лучший пример-теории относительности Эйнштейна. Ну написал он формулу, которая только ли говорит о том что (ВНИМАНИЕ!): если бы это было, то оно было бы так.. А физических опытов, подтверждающих эти теории-нет. ни одного! Зато есть куча примеров обратных, причем сделанных учеными с не меньшим мировым именем. На них Эйнштей отвечал обычно так: "тем хуже для вашего эксперимента."

Так и эти с термоядом... навального на них нет. распил в чистом виде.

 

Аватар пользователя maxvlad
maxvlad(9 лет 10 месяцев)

А идеи без экспериментального подтверждения - чисто умозрительные упражнения. И если кто-то думает, что на каждую подобную идею берут и отслюнявливают пару миллиардов зелёных что здесь, что там - он несколько.... заблуждается.

И да - посомтреть, сколько строили атомные реакторы, сколько с нюансами техническими бились... Блин, даже водородную бомбу создать - и то не вдруг получилось. Насколько могу судить, там столько моментиков  было преодолено - жуть. И буквально каждый требовал математического обеспечения с теорфизическим обоснованием. Не удивительно, что эфффективный термоядерный реактор всё ещё не построен. Как представлю себе этот проект - сколько там всего должно быть и в каких сочетаниях. И да - теперь размером со стадион. И что - по результатам работы предыдущих устройств сделали вывод, что это перспективный вариант, надо проверить.

Умные люди, которые видят сочетание 0,15 МэВ затрат - 17.6 МэВ выхода энергии, считают, что игра стоит свеч, так сказать. И да, вместо мегастроительства ветряков и выращивания рапса на дизель вложиться в ИТЕР более разумно.

Аватар пользователя Дануна
Дануна(8 лет 7 месяцев)

Да проблема не в этом. Таки пытаемся построить тот же сымый паровой котёл...Только в качестве топлива пытаемся впиндюрить то атомный, то ещё какой реактор. А сам принцып производства именно ПРОИЗВОДСТТВА и распределения -не меняем. Опять трубы, пар, турбины, генераторы, трансформаторы, провода. Получаются , огромные, сложные системы...Таки ДИНОЗАВРЫ...

Шото другое нужно искать...Там к примеру...тёмную энергию, энергию струн, энергию вакуума...

Аватар пользователя maxvlad
maxvlad(9 лет 10 месяцев)

Я бы сказал, что продолжающееся - даже у нас - финансирование проектов наблюдения Дальнего Космоса как бы говорит о том, что таки ищут. Запустили же радиотелескоп на орбиту, и результаты уже пошли вовсю. А их интерпретацией не одни лишь астрономы заняты.

Аватар пользователя андрей
андрей(9 лет 9 месяцев)

занимаемся этим уже около 20 лет. есть и опыты и образцы, все есть.. НИКОМУ НЕ НУЖНО. потому что запуск 1 ракеты с топливом на МКС стоит 40-50 миллионов долларов. их примерно 10 в год. Теперь представьте, ставим на МКС наш двигатель. ракет и топливо не надо, экономия-сами посчитайте... только вот корпорация Энергия не хочет этого. потому что тогда они потеряют свои большие деньги и вес в правительстве. В Роскосмосе сидят "медные лбы", которым не хочется ничем рисковать, а хочется спокойно получать распиленные миллионы.

Аватар пользователя Omni
Omni(9 лет 3 месяца)

Глупости, будут другие задачи.

Аватар пользователя Антон
Антон(9 лет 10 месяцев)

Это верно, стыдно греть воду термоядом. Но жить-то надо, и электричество тоже надо как-то получать.

Аватар пользователя Антон
Антон(9 лет 10 месяцев)

практически с Лурки определение УТС дали:

Термояд - старый, но всё ещё действующий, метод распила бюджетного бабла в глобальных масштабах, способный дать в качестве побочного результата источник сотен энергии, звездолёты и прочие кошерные вещи.

Насчёт новых идей - это вы зря. Просто на данный момент вскрываются всё новые и новые проблемы, которые мешают созданию такой установки. Эти проблемы снова решаются, за счёт как раз новых идей, решений, материалов и т.д.

Аватар пользователя андрей
андрей(9 лет 9 месяцев)

господин далекий от науки: никаких новых проблем не возникает. проблема одна-удержание плазмы, так вот не зря еще 70 лет назад, когда это все было подрасстрельно-секретно, наш академик взял и обнародовал все советские достижения в этой области. И до сих пор-ноль.

А рассуждения про "серьезность" и т.д.-это для вас, лохов необразованных, точнее для таких как вы в правительстве.результа-та то нет.

Аватар пользователя Антон
Антон(9 лет 10 месяцев)

Удержание плазмы - это сверхзадача, которая разбивается на много маленьких, часть из которых решена, часть решается. И вот при решении возникают новые трудности. Как например, растущие требования к первой стенке, которая и пылить не должна, и температуры выдерживать.

Аватар пользователя андрей
андрей(9 лет 9 месяцев)

ну и с чего решили что типа если баблосов ввалить, то получится?-неужели непонятно, что если идете 60 лет (!) и не получаетя, надо искать другой путь?. Так же точно собратья Внерожникова вопили те же 60 лет, что мол, и на Марсе будут яблони цвести...

Дело в человеческом факторе. Куча докторов наук и академиков позащищала фукфловые диссертации, десятилетиями получали большие деньги и почет, а теперь если выяснится, что это не просто зря, а что они-неправы, и притом знали об этом, то есть сознательно обманывали правительство и страну?- вот они и используют все имеющиеся у них административные средства чтобы "не пущать".

Аватар пользователя Антон
Антон(9 лет 10 месяцев)

За 60 лет достигнут немалый результат. Об этом будет в двух следующих частях. Идти можно с разной скоростью, было бы должное финансирование, уже был бы УТС, а когда по 5 лет спорят, где строить ИТЭР и кто сколько денег на него должен, о чём говорить ?

То что искать другие пути тоже надо - совершенно верно. Одно другому не должно мешать.

Докторские и кандидатские по теме горячей плазмы никуда не денутся в любом случае. Они имеют фундаментальное значение.

Аватар пользователя андрей
андрей(9 лет 9 месяцев)

Да, только в конце (сейчас) результата так и НЕТ. И НЕ БУДЕТ. нельзя с кайлом создать сотовый телефон.

А у нас-ЕСТЬ.

 

Аватар пользователя nictrace
nictrace(9 лет 10 месяцев)

вы с Луны упали?

Как это - нет данных подтверждающих теорию относительности??

Аватар пользователя drNeubauer
drNeubauer(9 лет 4 месяца)

В этой теории ,по-моему, есть знатный высер про "деформацию пространства и времени". Что доставляет.)

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(9 лет 11 месяцев)

Если вы чего-то не понимаете, то это не значит, что такого явления (прямо поддающегося измерениям, кстати) нет.

Но конечно проще то, чего не понимаешь, высером обозвать, это вы правы.

Аватар пользователя андрей
андрей(9 лет 9 месяцев)

господин умник, однажды я был свидетелем как посадили в лужу доктора наук, занимающегося всю жизнь таким изученным разделом как термодинамика.

Что касается эйнштейна, то действительно, опытов "за"-нету, а опытов "против"-есть. 

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(9 лет 11 месяцев)

Помнится, вы все что-то про нереактивные принципы движения втуляли. Тоже в лужу хотели посадить, видимо. Да  вот ведь незадача - с вашим нереактивным принципом ориентации спутника я уже нашел материал - естественно магнитопривод ориентации спутников "Метеор" вполне себе реактивный, как и должно быть согласно "буржуазной науке физике" (с). Что в нем служит реактивной массой - сами догадываетесь или объяснять надобно ?

Ну а раз есть по вашему какие-то опыты опровергающие ОТО - тащите в студию.

Аватар пользователя андрей
андрей(9 лет 9 месяцев)

Вы господин, вместе со всей современной космической наукой, должны сидеть тихо как мышь под веником. Потому что обкакались по-полной. САМИ ничего не можете-расписались в этом оба главы (НАСА И Роскосмоса). так перестаньте еще щеки надувать-при плохой-то игре, как говорится.

 

 

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(9 лет 11 месяцев)

Примеров, опровергающих ОТО, короче, не будет :)

Ну а после истории с "нереактивным" магнитоприводом системы ориентации - уж не вам рассуждать о том, кто как обкакался и кому сидеть тихо.

Впрочем, что вам еще остается...

Аватар пользователя htower
htower(9 лет 10 месяцев)

т.е. слив засчитан ? Скажете что-нибудь конкретное или только кал дальше во всех будете метать ?

Страницы