Сверхтяжелый эксперимент: Зачем в американскую Z-машину ввели тритий
Американские физики из Сандийских национальных лабораторий в городе Альбукерке с августа 2016 года применяют сверхтяжелый водород (тритий) в качестве топлива для Z-машины — одного из крупнейших в мире источников рентгеновского излучения, предназначенного для сжатия и нагрева термоядерного горючего. «Лента.ру» рассказывает, зачем американским физикам потребовался тритий.
В американском Альбукерке ученые реализуют собственную концепцию управляемого термоядерного синтеза, получившую название MagLIF (Magnetized Liner Inertial Fusion). В центре находится Z-Pinch — конгломерат 300 полых вольфрамовых цилиндров, расположенных вдоль оси аппликат (0z). Внутри каждой металлической емкости — газообразный водород. Электрический ток, пропускаемый по металлической оболочке, создает магнитное поле. В результате оболочка сжимается и давит на водород.
В отличие от ядерных реакторов, где тяжелые ядра распадаются на более легкие, в термоядерных происходит синтез тяжелых элементов из легких, например, образование гелия в результате слияния ядер водорода. Сама Z-машина имеет форму цилиндра диаметром 32 и высотой шесть метров. В ней реализуется инерциальная схема управляемого термоядерного синтеза.
Предполагается лазерным излучением быстро нагреть и сжать до необходимых температур и плотностей вещество, чтобы оно, будучи в состоянии инерционно удерживаемой плазмы, обеспечило протекание термоядерной реакции. В США, кроме Сандийских национальных лабораторий, такого рода эксперименты проводятся, в частности, в знаменитом Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций в городе Ливермор.
Аксиальное магнитное поле помогает удерживать топливо при сжатии. Разер (рентгеновский лазер), благодаря пинч-эффекту, быстро нагревает и ионизирует водород до имплозии — взрыва. Происходит дополнительное сжатие топлива, и его температура превышает десять миллионов градусов Цельсия, как в ядре Солнца, а плотность — грамм на кубический сантиметр, как у воды при комнатной температуре.
Ранее на Z-машине проводили эксперименты главным образом с дейтерием. В ядре трития, между тем, содержится не один, а два нейтрона. Слияние изотопов водорода дейтерия и трития приводит к выделению энергии в 17,6 мегаэлектронвольта, из которых на гелий приходится 3,5 мегаэлектронвольта и на высокоэнергетический нейтрон — 14,1 мегаэлектронвольта. Хотя дейтерий и тритий далеко не единственные компоненты для термоядерного топлива, их применение на современном этапе развития технологии выглядит наиболее предпочтительным.
Дейтерий есть в обычной воде — его научились добывать сравнительно легко. В природном водороде содержится около 0,01 процента этого изотопа. С тритием сложнее — его почти нет на Земле. Добывать тритий предлагается различными способами, в том числе и на Луне. В рамках проекта ИТЭР планируется использовать реакцию взаимодействия нейтрона с изотопами лития Li-6 и Li-7, продуктами которой являются гелий, тритий и нейтрон (в случае изотопа Li-7).
В течение ближайших пяти лет на Z-машине ученые рассчитывают увеличить долю трития до 50 процентов в топливной смеси. Это позволит, по оценкам, произвести в 80 раз больше нейтронов и в 500 раз больше энергии, чем только с дейтерием. Пока доля трития в топливе на Z-машине равна 0,1 процента.
Эксперименты с тритием приводят к высвобождению большого числа высокоэнергетических нейтронов, которые необходимо задерживать — не допустить его попадания в воду и атмосферу. По этой причине только две лаборатории Министерства энергетики США, кроме Сандийских национальных лабораторий, имеют разрешение на работу с тритием — Ливерморская национальная лаборатория и Лаборатория лазерной энергетики Рочестерского университета.
В дальнейшем на Z-машине планируется побить рекорд мощности для управляемого термоядерного синтеза, установленный на JET (Joint European Torus) — крупнейшем в мире действующем токамаке. На этом реакторе в 1997 году в экспериментах с дейтерий-тритиевой плазмой была развита мощность управляемого термоядерного синтеза в 16 мегаватт. К сожалению, значение параметра Q — отношение энергии, выделенной в реакции, к энергии, затраченной для разогрева плазмы, тогда составило 0,7. Для возникновения самоподдерживающей реакции нужен показатель больше единицы, а для коммерчески эффективной термоядерной энергетики — в десятки раз больше. На Z-машине ученые надеются получить Q больший единицы.
Андрей Борисов
В американском Альбукерке ученые реализуют собственную концепцию управляемого термоядерного синтеза, получившую название MagLIF (Magnetized Liner Inertial Fusion). В центре находится Z-Pinch — конгломерат 300 полых вольфрамовых цилиндров, расположенных вдоль оси аппликат (0z). Внутри каждой металлической емкости — газообразный водород. Электрический ток, пропускаемый по металлической оболочке, создает магнитное поле. В результате оболочка сжимается и давит на водород.
В отличие от ядерных реакторов, где тяжелые ядра распадаются на более легкие, в термоядерных происходит синтез тяжелых элементов из легких, например, образование гелия в результате слияния ядер водорода. Сама Z-машина имеет форму цилиндра диаметром 32 и высотой шесть метров. В ней реализуется инерциальная схема управляемого термоядерного синтеза.
Предполагается лазерным излучением быстро нагреть и сжать до необходимых температур и плотностей вещество, чтобы оно, будучи в состоянии инерционно удерживаемой плазмы, обеспечило протекание термоядерной реакции. В США, кроме Сандийских национальных лабораторий, такого рода эксперименты проводятся, в частности, в знаменитом Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций в городе Ливермор.
Аксиальное магнитное поле помогает удерживать топливо при сжатии. Разер (рентгеновский лазер), благодаря пинч-эффекту, быстро нагревает и ионизирует водород до имплозии — взрыва. Происходит дополнительное сжатие топлива, и его температура превышает десять миллионов градусов Цельсия, как в ядре Солнца, а плотность — грамм на кубический сантиметр, как у воды при комнатной температуре.
Ранее на Z-машине проводили эксперименты главным образом с дейтерием. В ядре трития, между тем, содержится не один, а два нейтрона. Слияние изотопов водорода дейтерия и трития приводит к выделению энергии в 17,6 мегаэлектронвольта, из которых на гелий приходится 3,5 мегаэлектронвольта и на высокоэнергетический нейтрон — 14,1 мегаэлектронвольта. Хотя дейтерий и тритий далеко не единственные компоненты для термоядерного топлива, их применение на современном этапе развития технологии выглядит наиболее предпочтительным.
Дейтерий есть в обычной воде — его научились добывать сравнительно легко. В природном водороде содержится около 0,01 процента этого изотопа. С тритием сложнее — его почти нет на Земле. Добывать тритий предлагается различными способами, в том числе и на Луне. В рамках проекта ИТЭР планируется использовать реакцию взаимодействия нейтрона с изотопами лития Li-6 и Li-7, продуктами которой являются гелий, тритий и нейтрон (в случае изотопа Li-7).
В течение ближайших пяти лет на Z-машине ученые рассчитывают увеличить долю трития до 50 процентов в топливной смеси. Это позволит, по оценкам, произвести в 80 раз больше нейтронов и в 500 раз больше энергии, чем только с дейтерием. Пока доля трития в топливе на Z-машине равна 0,1 процента.
Эксперименты с тритием приводят к высвобождению большого числа высокоэнергетических нейтронов, которые необходимо задерживать — не допустить его попадания в воду и атмосферу. По этой причине только две лаборатории Министерства энергетики США, кроме Сандийских национальных лабораторий, имеют разрешение на работу с тритием — Ливерморская национальная лаборатория и Лаборатория лазерной энергетики Рочестерского университета.
В дальнейшем на Z-машине планируется побить рекорд мощности для управляемого термоядерного синтеза, установленный на JET (Joint European Torus) — крупнейшем в мире действующем токамаке. На этом реакторе в 1997 году в экспериментах с дейтерий-тритиевой плазмой была развита мощность управляемого термоядерного синтеза в 16 мегаватт. К сожалению, значение параметра Q — отношение энергии, выделенной в реакции, к энергии, затраченной для разогрева плазмы, тогда составило 0,7. Для возникновения самоподдерживающей реакции нужен показатель больше единицы, а для коммерчески эффективной термоядерной энергетики — в десятки раз больше. На Z-машине ученые надеются получить Q больший единицы.
Андрей Борисов