7427
правок
Изменения
Перейти к навигации
Перейти к поиску
Термоядерный реактор (просмотреть исходный код)
Версия 06:50, 11 января 2019
, 06:50, 11 января 2019ну чо, обсудим?
'''Термоядерный реактор''' — это, как очевидно из названия, техническая приблуда, в которой происходит термоядерная реакция. Ничего интересного в нем нет, он просто красиво светится в темноте и жрёт энергию, как очень навороченная радиоактивная лампочка. Сделан сравнительно давно, именуется фузором Фансворта.
Но. Вы же не это хотели прочесть, верно? Вы хотите знать, почему энергия, которую в избытке излучают звёзды, ещё не поставлена на службу человечества и пока что существует либо в виде термоядерных бомб, либо в виде энергозатратных фузоров. А ещё вам наверное интересно, почему физики от словосочетания «холодный термоядерный синтез» берёт в руки что-нибудь тяжелое и начинают гоняться за сказанувшим. Итак, поехали.
== Термоядерный реактор p+p ==
Простейшая, древнейшая и тупейшая реакция термоядерного синтеза — это протон-протонная реакция. Существует в древнейших звёздах, из-за чего они горят очень ярко и очень недолго (по космическим меркам). В ходе реакции протоны, представляющие собой ядра атомов водорода, сливаются в атом гелия и выделяют много энергии. Минусом процесса является водород — его нужно ну очень много (потому что реакция идет через слабое взаимодействие, и эта фигня неслабо так охлаждается потоком нейтрино, что в принципе, хорошо — нейтрино с материей почти не взаимодействуют, с другой стороны плохо — предотвратить охлаждение ниже точки начала реакции мы не можем), так что в домашних условиях повторить эксперимент не удастся вообще никак.
== Термоядерный реактор уровня «Звезда по имени Солнце» ==
Окей, давайте возьмем водорода чуть поменьше, гелия чуть-чуть побольше, добавим туда слоёнку из железа, кислорода, азота и углерода и попробуем запалить. То, что получилось в итоге сильно смахивает на желтую звездочку, вокруг которой вращается наша планета. Плюсы: горит долго и стабильно, не очень ярко, но в целом годно. Минусы: в гараже такое не сделаешь. Поэтому поехали дальше.
== Термоядерный реактор на удержании плазмы ==
Как вы понимаете из предыдущих пунктов, основная проблема — взять очень большую фигню, по своим свойствам похожую на звезду, уменьшить её в масштабе и засунуть в ловушку, где её энергию можно невозбранно использовать для разных полезных действий. Поэтому, если не вдаваясь в подробности, учёные просто взяли более тяжелые атомы, накачали их энергией до состояния плазмы, засунули в магнитную ловушку и попытались начать реакцию. Провал. Стеллараторы и токомаки — это устройства, позволяющие более-менее моделировать процессы, проходящие во внешней оболочке звезд. Засада в том, что для реакции нужна вся звезда целиком, иначе нифига не выйдет. Вам интересны подробности? Вы возможно уже читали о проблемах управляемой термоядерной реакции и слышали про критерий Лоусона (озвученный в 1955 году), но в силу нехватки знаний, видимо, не поняли в чём тут проблема. Я здесь как раз за тем чтобы объяснить.
И так, мысленный эксперимент, который мы обзовём, скажем, «Дробовик Визарда». Когда-то давно была атомная бомба, работающая на схлопывании двух кусков урана, типа как если бы два урановых снаряда, выпущенных из пушки, влепились друг в друга и получился бы атомный взрыв. По сути для термоядерной реакции нужно примерно то же самое, вот только вместо артиллерийских орудий у нас два дробовика. В роли дроби — частицы. Итак, в чем заключается критерий Лоусона: энергия, выделяющаяся при реакции слияния дробинок должна быть выше энергии, потраченной на выстрел этих дробинок, иначе нифига не полчуится. В чем проблема? Ну, если в случае с ураном всё просто — два 152-мм снаряда обладают довольно большим сечением и попасть ими друг в друга не так уж и сложно даже с некоторой дистанции, то вот с дробью всё куда хуже — дробинки летят не плотным комом а облаком, и шансы на то, что они друг в друга врежутся не особо велики — одни дробинки движутся быстрее других. Просто пальните из шотгана в мишень и вы увидите что определенная доля дробинок попала в мишень и вырвала из неё солидный кусок, а все прочие наделали кучу дырочек побокам и ниже (это называется осыпью дроби). То есть, как мы понимаем, в реакции участвуют далеко не все частицы, и их слишком мало для того, чтобы критерий Лоусона соблюдался. Что делают ученые для того чтобы повысить выход энергии? Используют более тяжелые частицы (крупные частицы обладают большим сечением и в них проще попасть), пытаются сконцентрировать дробь так, чтобы поток был плотным, разогревают дробь чтобы легче слипалась.
Вы не против чуть-чуть формул? Итак, mv²/2 — где m -масса дробинки-частицы, а v — её скорость, равно 2/3 kT, где k — это постоянная Больцмана, а T — температура. Из этого логически следует вывод, что чем массивнее частица и выше её скорость, тем больше энергии от удара получится. В случае с дробинками, например, возможно создать такие условия выстрела, что при соударении дробинки просто испарятся (это же свинец, он тяжелый). Ну так вот, второй вывод — на разгон более тяжелых частиц нужно больше энергии, по всем известной формуле. С этим тоже ясно? И вот мы пришли к тупику — ни при каких условиях выход энергии дробинок не превысит энергию, затраченную на выстрел (в случае с дробовиком этому сильно мешает закон сохранения энергии, в случае с микрочастицами — кое-что другое).
Итак, что же у нас с микрочастицами? Для начала, на свинцовые дробинки они нифига не похожи, они очень легкие и «осыпь дроби» для них задается распределением Максвелла. Это очень плохо, потому что нужно создать очень плотный поток этих самых частиц чтобы они встретились друг с другом и начали реагировать. Единственный способ это сделать — это увеличить их энергию, то есть нагреть. Вот ученые и жарят плазму в магнитной ловушке, а потом она пшик — и гаснет. Почему? Потому что способ удержания плазмы — электромагнитный, то есть он действует на заряженные частицы. Пока реакции нет, плазма греется, а как только пошла реакция — во все стороны начинают лететь нейтроны, которым на плазму и электромагниты плевать с высокой башни, а энергии они несут с собой достаточно чтобы плазма остыла и реакция прекратилась. Вот засада, что же делать? Ну, ''очевидно'', нужно либо подбирать топливо (список в википедии), которое не будет так эффективно охлаждаться, либо как-то запереть эти проклятые нейтроны, либо разложить их (в эту магию физики тоже могут, но требуется — правильно, ещё больше энергии и реакция всё равно тухнет)<ref>да, существуют «безнейтронные» реакции, проблема в том, что для этого нужно потратить много энергии на производство топлива</ref>. Ну и что же, чёрт бы их подрал, делать? Если бы на этот вопрос нашелся вменяемый ответ, термоядерные реакторы бы уже работали и выдавали на-гора много энергии. Проблема тут упирается в основном в низкий уровень знаний о процессах в плазме — дело в том, что при увеличении энергии плазмы физики внезапно столкнулись с фигней, которую они не в состоянии объяснить — реактор ''внезапно'' и непонятно почему выдавал выхлоп в виде кратковременного повышения КПД, а затем тух. Видимо для дальнейших успехов нужно ещё больше увеличить количество топлива (и размеры реактора), а также повысить мощность удержания… Кстати, идея с магнитным удержанием провалилась — оно не в состоянии держать рвущуюся наружу мощь термоядерного синтеза, поэтому пришлось моделировать процесс, происходящий в звездах — вместо фотосферы, правда, большущий шар, который после активации активно греет плазму, которая уже сжимает топливо. Чтобы процесс шел эффективнее, шар надо увелчиить. Вот только, покосившись на звезду, автор этих строк кажется знает, до каких размеров придется в итоге дойти (то есть по сути мы сначала строим сферу дайсона, а потом уже зажигаем звезду). Эх… Ладно, поехали дальше.
== Термоядерный реактор уровня «школьный проект по физике» ==
В 1950 году некто Фарнсворт прикола ради сбацал фузор имени себя — он использует электростатический метод удержания плазмы (создание отрицательного потенциала в облаке электронов, который разгоняет ионы в направлении ловушки где уже и идет реакция), красиво светится синеньким и выглядит жутко научно. Толку от него нет вообще никакого — к критерию Лоусона он не подбирается даже близко, не смотря на неоднократные попытки его заубгрейдить.
== Термоядерный реактор на антинаучной фигне ==
Ну, тут всё просто: это [[Лженаука|холодный термоядерный синтез]]. Почему это невозможно — см. выше. Если же до вас не доходят фразы «звездная температура», «высокая энергия» и «термоядерная бомба», или вы насмотрелись на красиво светящееся доказательство того, что у Тони Старка есть сердце (об этом ниже), физика тут бессильна, а вот медицина заинтересуется.
Да, о дуговом реакторе Тони Старка. Это ни коим образом не термоядерный реактор, что бы там не говорил Тони Старк. Это — вы наверное удивитесь — топливный элемент, в пользу чего говорит наличие материалов платиновой группы, необходимость зарядки этой штуки и не особо большая долговечность. Самым примечательным во всем этом являются слова Ивана Ванко про палладий у сердца. Извините мой французский, но кардиологи всего мира угарали над его словами очень долго (дело в том что палладий активно используется в медицине). Но, эта фиговень красиво светится а ещё благодаря ей костюм Железного Человека может летать, и для фанатов этого достаточно.
== Термоядерный реактор в фантастике ==
Поскольку данная технология является научной, то, справедливо полагая, что скоро эту проблему успешно разрешат, фантасты взяли её на вооружение и принялись пихать в свои произведения нисколько не заморачиваясь тонкостями реализации. И хотя уже более пятидесяти лет «воз и ныне там», это никого не смущает. Некоторые фантасты, более других подкованные в матчасти, пытаются даже объяснять механику работы этого устройства, либо с помощью флеботинума, либо (особо смелые) без него.
Но. Вы же не это хотели прочесть, верно? Вы хотите знать, почему энергия, которую в избытке излучают звёзды, ещё не поставлена на службу человечества и пока что существует либо в виде термоядерных бомб, либо в виде энергозатратных фузоров. А ещё вам наверное интересно, почему физики от словосочетания «холодный термоядерный синтез» берёт в руки что-нибудь тяжелое и начинают гоняться за сказанувшим. Итак, поехали.
== Термоядерный реактор p+p ==
Простейшая, древнейшая и тупейшая реакция термоядерного синтеза — это протон-протонная реакция. Существует в древнейших звёздах, из-за чего они горят очень ярко и очень недолго (по космическим меркам). В ходе реакции протоны, представляющие собой ядра атомов водорода, сливаются в атом гелия и выделяют много энергии. Минусом процесса является водород — его нужно ну очень много (потому что реакция идет через слабое взаимодействие, и эта фигня неслабо так охлаждается потоком нейтрино, что в принципе, хорошо — нейтрино с материей почти не взаимодействуют, с другой стороны плохо — предотвратить охлаждение ниже точки начала реакции мы не можем), так что в домашних условиях повторить эксперимент не удастся вообще никак.
== Термоядерный реактор уровня «Звезда по имени Солнце» ==
Окей, давайте возьмем водорода чуть поменьше, гелия чуть-чуть побольше, добавим туда слоёнку из железа, кислорода, азота и углерода и попробуем запалить. То, что получилось в итоге сильно смахивает на желтую звездочку, вокруг которой вращается наша планета. Плюсы: горит долго и стабильно, не очень ярко, но в целом годно. Минусы: в гараже такое не сделаешь. Поэтому поехали дальше.
== Термоядерный реактор на удержании плазмы ==
Как вы понимаете из предыдущих пунктов, основная проблема — взять очень большую фигню, по своим свойствам похожую на звезду, уменьшить её в масштабе и засунуть в ловушку, где её энергию можно невозбранно использовать для разных полезных действий. Поэтому, если не вдаваясь в подробности, учёные просто взяли более тяжелые атомы, накачали их энергией до состояния плазмы, засунули в магнитную ловушку и попытались начать реакцию. Провал. Стеллараторы и токомаки — это устройства, позволяющие более-менее моделировать процессы, проходящие во внешней оболочке звезд. Засада в том, что для реакции нужна вся звезда целиком, иначе нифига не выйдет. Вам интересны подробности? Вы возможно уже читали о проблемах управляемой термоядерной реакции и слышали про критерий Лоусона (озвученный в 1955 году), но в силу нехватки знаний, видимо, не поняли в чём тут проблема. Я здесь как раз за тем чтобы объяснить.
И так, мысленный эксперимент, который мы обзовём, скажем, «Дробовик Визарда». Когда-то давно была атомная бомба, работающая на схлопывании двух кусков урана, типа как если бы два урановых снаряда, выпущенных из пушки, влепились друг в друга и получился бы атомный взрыв. По сути для термоядерной реакции нужно примерно то же самое, вот только вместо артиллерийских орудий у нас два дробовика. В роли дроби — частицы. Итак, в чем заключается критерий Лоусона: энергия, выделяющаяся при реакции слияния дробинок должна быть выше энергии, потраченной на выстрел этих дробинок, иначе нифига не полчуится. В чем проблема? Ну, если в случае с ураном всё просто — два 152-мм снаряда обладают довольно большим сечением и попасть ими друг в друга не так уж и сложно даже с некоторой дистанции, то вот с дробью всё куда хуже — дробинки летят не плотным комом а облаком, и шансы на то, что они друг в друга врежутся не особо велики — одни дробинки движутся быстрее других. Просто пальните из шотгана в мишень и вы увидите что определенная доля дробинок попала в мишень и вырвала из неё солидный кусок, а все прочие наделали кучу дырочек побокам и ниже (это называется осыпью дроби). То есть, как мы понимаем, в реакции участвуют далеко не все частицы, и их слишком мало для того, чтобы критерий Лоусона соблюдался. Что делают ученые для того чтобы повысить выход энергии? Используют более тяжелые частицы (крупные частицы обладают большим сечением и в них проще попасть), пытаются сконцентрировать дробь так, чтобы поток был плотным, разогревают дробь чтобы легче слипалась.
Вы не против чуть-чуть формул? Итак, mv²/2 — где m -масса дробинки-частицы, а v — её скорость, равно 2/3 kT, где k — это постоянная Больцмана, а T — температура. Из этого логически следует вывод, что чем массивнее частица и выше её скорость, тем больше энергии от удара получится. В случае с дробинками, например, возможно создать такие условия выстрела, что при соударении дробинки просто испарятся (это же свинец, он тяжелый). Ну так вот, второй вывод — на разгон более тяжелых частиц нужно больше энергии, по всем известной формуле. С этим тоже ясно? И вот мы пришли к тупику — ни при каких условиях выход энергии дробинок не превысит энергию, затраченную на выстрел (в случае с дробовиком этому сильно мешает закон сохранения энергии, в случае с микрочастицами — кое-что другое).
Итак, что же у нас с микрочастицами? Для начала, на свинцовые дробинки они нифига не похожи, они очень легкие и «осыпь дроби» для них задается распределением Максвелла. Это очень плохо, потому что нужно создать очень плотный поток этих самых частиц чтобы они встретились друг с другом и начали реагировать. Единственный способ это сделать — это увеличить их энергию, то есть нагреть. Вот ученые и жарят плазму в магнитной ловушке, а потом она пшик — и гаснет. Почему? Потому что способ удержания плазмы — электромагнитный, то есть он действует на заряженные частицы. Пока реакции нет, плазма греется, а как только пошла реакция — во все стороны начинают лететь нейтроны, которым на плазму и электромагниты плевать с высокой башни, а энергии они несут с собой достаточно чтобы плазма остыла и реакция прекратилась. Вот засада, что же делать? Ну, ''очевидно'', нужно либо подбирать топливо (список в википедии), которое не будет так эффективно охлаждаться, либо как-то запереть эти проклятые нейтроны, либо разложить их (в эту магию физики тоже могут, но требуется — правильно, ещё больше энергии и реакция всё равно тухнет)<ref>да, существуют «безнейтронные» реакции, проблема в том, что для этого нужно потратить много энергии на производство топлива</ref>. Ну и что же, чёрт бы их подрал, делать? Если бы на этот вопрос нашелся вменяемый ответ, термоядерные реакторы бы уже работали и выдавали на-гора много энергии. Проблема тут упирается в основном в низкий уровень знаний о процессах в плазме — дело в том, что при увеличении энергии плазмы физики внезапно столкнулись с фигней, которую они не в состоянии объяснить — реактор ''внезапно'' и непонятно почему выдавал выхлоп в виде кратковременного повышения КПД, а затем тух. Видимо для дальнейших успехов нужно ещё больше увеличить количество топлива (и размеры реактора), а также повысить мощность удержания… Кстати, идея с магнитным удержанием провалилась — оно не в состоянии держать рвущуюся наружу мощь термоядерного синтеза, поэтому пришлось моделировать процесс, происходящий в звездах — вместо фотосферы, правда, большущий шар, который после активации активно греет плазму, которая уже сжимает топливо. Чтобы процесс шел эффективнее, шар надо увелчиить. Вот только, покосившись на звезду, автор этих строк кажется знает, до каких размеров придется в итоге дойти (то есть по сути мы сначала строим сферу дайсона, а потом уже зажигаем звезду). Эх… Ладно, поехали дальше.
== Термоядерный реактор уровня «школьный проект по физике» ==
В 1950 году некто Фарнсворт прикола ради сбацал фузор имени себя — он использует электростатический метод удержания плазмы (создание отрицательного потенциала в облаке электронов, который разгоняет ионы в направлении ловушки где уже и идет реакция), красиво светится синеньким и выглядит жутко научно. Толку от него нет вообще никакого — к критерию Лоусона он не подбирается даже близко, не смотря на неоднократные попытки его заубгрейдить.
== Термоядерный реактор на антинаучной фигне ==
Ну, тут всё просто: это [[Лженаука|холодный термоядерный синтез]]. Почему это невозможно — см. выше. Если же до вас не доходят фразы «звездная температура», «высокая энергия» и «термоядерная бомба», или вы насмотрелись на красиво светящееся доказательство того, что у Тони Старка есть сердце (об этом ниже), физика тут бессильна, а вот медицина заинтересуется.
Да, о дуговом реакторе Тони Старка. Это ни коим образом не термоядерный реактор, что бы там не говорил Тони Старк. Это — вы наверное удивитесь — топливный элемент, в пользу чего говорит наличие материалов платиновой группы, необходимость зарядки этой штуки и не особо большая долговечность. Самым примечательным во всем этом являются слова Ивана Ванко про палладий у сердца. Извините мой французский, но кардиологи всего мира угарали над его словами очень долго (дело в том что палладий активно используется в медицине). Но, эта фиговень красиво светится а ещё благодаря ей костюм Железного Человека может летать, и для фанатов этого достаточно.
== Термоядерный реактор в фантастике ==
Поскольку данная технология является научной, то, справедливо полагая, что скоро эту проблему успешно разрешат, фантасты взяли её на вооружение и принялись пихать в свои произведения нисколько не заморачиваясь тонкостями реализации. И хотя уже более пятидесяти лет «воз и ныне там», это никого не смущает. Некоторые фантасты, более других подкованные в матчасти, пытаются даже объяснять механику работы этого устройства, либо с помощью флеботинума, либо (особо смелые) без него.