Рождение всей энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.

На протяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.

Сейчас известно, что в древесине, аккумулируется, с помощью фотосинтеза, солнечная энергия. При сгорании каждого килограмма сухой древесины выделяется около 20 000 к Дж тепла, теплота сгорания бурого угля равна примерно 13 000 кДж/кг, антрацита 25 000 кДж/кг, нефти и нефтепродуктов 42 000 кДж/кг, а природного газа 45 000 кДж/кг. Самой высокой теплотой сгорания обладает водород 120 000 кДж/кг.

Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Исчерпаны могут быть и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которых можно получить в реакторах-размножителях... плутоний. Но практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода.

В 1926 г. Эддингтон опубликовал свою книгу "The Internal Constitution of the Stars" ("Внутреннее строение звёзд"). В книге были блестяще изложены представления того времени о физических основах процессов, происходивших в звёздах. Эддингтон внёс существенный вклад в формирование этих представлений. Ещё до него в принципе было ясно, как функционируют звёзды. Однако не было точно известно, откуда берётся энергия, которая поддерживает излучение звёзд.

Уже тогда было понятно, что богатое водородом звёздное вещество может быть идеальным источником энергии. Учёные знали, что при превращении водорода в гелий освобождается столько энергии, что Солнце и другие звёзды могут светить миллиарды лет. Таким образом, было ясно, что если разобраться, в каких условиях идёт слияние атомов водорода, то был бы найден великолепный источник энергии звёзд. Однако наука тех лет была ещё очень далека от того, чтобы осуществить превращение водорода в гелий в экспериментальных условиях.

Астрофизикам того времени оставалось только верить, что звёзды представляют собой гигантские ядерные реакторы. Действительно, нельзя было бы представить никакого другого процесса, который мог бы обеспечить энергией Солнца в течение миллиардов лет. Наиболее последовательно это мнение выразил Эддингтон. Он исходил из многочисленных и многократно повторённых измерений светимости звёзд, которые проводили астрономы-наблюдатели. К сожалению, физики того времени считали, что атомные ядра в звёздах не могут реагировать друг с другом.

Эддингтон уже тогда смог рассчитать, какая температура должна наблюдаться в недрах Солнца. По его расчётам она должна составлять примерно 40 миллионов градусов. Такая температура, на первый взгляд очень высокой, но ядерщики считали, что её недостаточно для протекания ядерных реакций. При этой температуре атомы во внутренних областях Солнца перемещаются относительно друг друга со скоростями около 1000 километров в секунду. При таких высоких температурах атомы водорода уже теряют свои электроны, протоны уже свободно перемещаются в пространстве. Представим себе, что два протона налетают друг на друга и, в следствия взаимодействия, взаимно отталкиваются. При скоростях 1000 километров в секунду протоны могут приблизится на очень малое расстояние, но под действием силы электрического отталкивания они разлетятся прежде чем смогут объединиться в одно ядро. Как показали расчёты, только при температуре свыше 10 миллиардов градусов частицы движутся с такими скоростями, что, несмотря на силы электрического отталкивания, они могу приблизится друг другу и слиться. Солнце с температурой 40 миллионов градусов казалось физикам слишком холодным, чтобы в его недрах могло происходить превращение водорода в гелий. Однако Эддингтон был убеждён, что только ядерная энергия может поддерживать излучение звезд, и оказался прав.

В 1939 г. известный американский физик Бете дал количественную теорию ядерных источников звёздной энергии. Что же это за реакции? Как уже и упоминалось, это термоядерные реакции. Как известно, звёзды по большей части состоят из водорода, (правда есть и исключения) поэтому вероятность столкновения двух протонов очень велика. При столкновении протона с другим протоном (или другим ядром) он может притянуться к ядру за счёт ядерных сил. Ядерные силы действуют на расстояниях порядка размеров самого ядра. Для того чтобы приблизится к ядру на столь малое расстояние, протону необходимо преодолеть весьма значительную силу электростатического отталкивания («кулоновский барьер»). Ведь ядро тоже заряжено положительно. Простые расчеты показывают, что энергия соответствующая этому переходу - 1000 кэВ. Между тем независимые оценки показывают, что в Солнце протоны имеют энергию около 1 кэВ, т. е. в 1000 раз меньшую. Протонов с нужной энергией в недрах звёзд практически не будет. Казалось бы, при такой ситуации никаких ядерных реакций там происходить не может. Но это не так. Дело в том, что согласно законам квантовой механики протоны, энергия которых даже незначительно меньше 1000 кэВ, всё же, с некоторой небольшой вероятностью, могут попасть в ядро. Эта вероятность быстро уменьшается с уменьшением энергии протона, Но она не равна нулю. В то же время число протонов по мере приближения их энергии к средней тепловой будет стремительно расти. Поэтому должна существовать такая «компромиссная» энергия протонов, при которой малая вероятность их проникновения в ядро «компенсируется» их большим количеством. Оказывается, что в условиях звёздных недр эта энергия близка к 20 кэВ. Только приблизительно одна стомиллионная доля протонов имеют такую энергию. И всё же этого оказывается как раз достаточно, чтобы ядерные реакции происходили с такой скоростью, что выделяющаяся энергия точно соответствовала бы светимости звёзд.

Основные примеры термоядерных реакций это: протон-протоная цепочка (pp -цикл) и углеродно-азотный цикл Г. Бёте (CNO - цикл). 

В pp-цикле четыре протона образуют одно ядро гелия (при этом два протона должны превратиться в нейтроны).

В CNO-цикле ядро атома углерода, с массовым числом 12, является катализатором, т. е. в результате нескольких реакций ядро углерода последовательно захватывает 4 протона и, испытывая ядерный распад, опять становится  С ( углерод ), испуская ядро He ( гелий ).

Основным источником протекания ядерной реакции, например, на  Солнце, температура которая близка к 15 миллионам кельвинов, является протон – протонная реакция. Для более массивных, а следовательно, и более горячих звёзд существенна углеродно-азотная реакция, зависимость которой от температуры значительно более сильная. Например, для интервала температур 24-36 миллионов кельвинов.  Разумеется все процессы протекают в условиях значительного гравитационного сжатия внутри звезд...

И сделать такое на Земле не так-то просто. Ведь что такое термоядерный синтез? Это процесс объединения легких атомных ядер в более тяжелые. В результате этого объединения, та самая энергия, и выделяется.

Однако вся проблема заключается в том, что для того, чтобы эти атомные ядра объединились, их нужно подвести друг к другу вплотную. То есть на то расстояние, где начинает действовать сильное взаимодействие, удерживающее в ядре протоны и нейтроны. Это расстояние равно примерно диаметру самого ядра. Все бы ничего, но вот беда — при подведении атомов друг к другу на куда больших расстояниях начинают действовать силы электростатического отталкивания (как и между всеми одноименными заряженными частицами). И для того, чтобы преодолеть их, нужно чудовищной силы давление.

В недрах звезд, где очень сильно гравитационное сжатие, создавать такое давление достаточно просто (потому-то там все время идут термоядерные реакции, обеспечивающие выделение большого количества энергии в виде света и тепла). А вот на Земле это сделать сложно. Для создания такого давления нужно затратить такое количество энергии, что оно в несколько раз превысит энергоотдачу самой реакции.

Тем не менее, некоторые методики по осуществлению термоядерной реакции в плазме при обычных условиях все-таки имеются. Одну из них разработали в нашей стране известные физики А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм. Согласно их разработке, плазму можно удерживать в небольшом объеме посредством магнитного поля. И если одновременно пропустить сквозь нее электрический ток, то возникнет полоидальное поле, которое необходимо для сжатия, разогрева и удержания равновесия плазмы. В таких условиях может начаться управляемая термоядерная реакция.

Вскоре была создана установка, которая обеспечивала такое магнитное удержание и разогрев плазмы. Ее назвали токамак (тороидальная камера с магнитными катушками, термин был предложен И.Н. Головиным). А в 1956 году сотрудниками Института атомной энергии имени И.В. Курчатова под руководством академика Арцимовича смогли добиться разогрева плазмы в токамаке до 10 миллионов градусов. Этой температуры вполне достаточно для начала термоядерной реакции. Однако долго удерживать плазму магнитным полем пока не получается.

Стелларатор — тип реактора для осуществления управляемого термо-ядерного синтеза. Изобретен Л. Спитцером в 1951 г. Название реактора происходит от лат. stella — звезда, что должно указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звёзд.

Стелларатор — замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для удержания плазмы полностью создается внешними катушками, что, помимо прочего, позволяет использовать его в непрерывном режиме.

У токамаков есть проблема со стабильностью плазмы, которая всё норовит дрейфовать к стенкам камеры. У стеллараторов проблем с этим нет. Но, словно взамен, у стеллаторов есть другой недостаток — здесь велики потери энергии плазмы. Из-за этого таким машинам трудно достичь необходимых температур и времени удержания, достаточных для запуска термоядерной реакции.

 Но появился Стелларатор HSX. Первая демонстрация работы принципа квазисимметрии в магнитной удерживающей системе была произведена в начале 2007 года. Устройство, совмещающее в себе достоинства стеллараторов и токамаков, но без их недостатков, построили Дэвид Андерсон (David Anderson) и его коллеги из университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison). На испытаниях аппарат, потенциально способный стать термоядерным реактором, показал любопытные сочетания параметров, о чём его создатели и поведали в статье в журнале Physical Review Letters.

Новый аппарат называется "Геликоидный симметричный эксперимент" (Helically Symmetric eXperiment — HSX). Его проектированием Андерсон со товарищами занимался 17 лет. Теперь эта машина заработала, и её создатели полагают, что HSX — самый совершенный и перспективный стелларатор в мире.

HSX — первый в мире стелларатор с так называемым квазисимметричным магнитным полем. Форму его (и поля, и стелларатора, конечно же) учёные подбирали много лет. Но теперь машина работает и показывает очень обнадёживающие результаты.

Авторы этого небольшого чуда сообщают, что, сохранив прекрасную устойчивость плазмы, свойственную стеллараторам вообще, новый аппарат обладает значительно меньшей потерей энергии при большей электронной температуре, в сравнении со стеллараторами прежних схем. А ведь возможности конструкции не исчерпаны.

Сейчас создатели устройства намерены ещё поработать над проектом и поднять параметры плазмы до новых высот. Андерсон полагает, что идеи, опробованные в HSX, вполне могут лечь в основу промышленных энергетических термоядерных реакторов...

А, недавно американские физики смогли построить модель протекания термоядерной реакции в нормальных условиях с положительной энергоотдачей. При ее построении ученые как бы соединили два имеющихся метода удержания плазмы — магнитный и инерционный. По их расчетам, энергетический выигрыш от данной термоядерной реакции превысил затраты в 100 раз.

 Ученые из Национальной лаборатории Сандиа (США), похоже, смогли решить эти проблемы. Для запуска управляемой термоядерной реакции они предложили объединить оба метода. Ими была построена компьютерная модель, которая показала, что при таком подходе термоядерный синтез, дающий энергетический выигрыш (то есть количество образовавшейся в его процессе энергии будет больше, чем количество затраченной) вполне возможен.

Суть этой модели заключается в следующем. Берется смесь из двух изотопов водорода, дейтерия и трития и помещается в небольшой цилиндр. Этот цилиндр сначала разогревается лазером. Это дает начало синтезу. После разогретую плазму в цилиндре помещают в магнитное поле. Оно, согласно расчетам, позволяет частицам, в том числе альфа-частицам (ядрам гелия), образующимся в результате реакции, не покидать точку синтеза, а оставаться там, поддерживая температуру дейтериево-тритиевой плазмы высокой. И это приводит не к угасанию, а наоборот, к возобновлению термоядерных реакций.

Таким образом, разогретый цилиндр играл роль запала, начинающего реакцию. А магнитное поле не давало полученной в ходе первичного синтеза энергии сразу рассеиваться.  Термоядерный синтез начинал поддерживать сам себя без дополнительных избыточных энергозатрат.

Согласно расчетам, при подаче тока в 60 МА для стимулирования начала реакции, на выходе уже можно получить 6000 МА. То есть энергоотдача превысила энергозатраты в 100 раз. Но это еще не все. Модель показала, что при росте мощности ввода энергоотдача растет прогрессивно: при энергозатратах в 70 МА она составила уже 70 000 МА.

"Теперь мы должны понять, позволит ли природа сделать это на практике. С принципиальной точки зрения, никаких проблем не должно быть", — говорит Стив Слатц, ведущий автор исследования. Правда, пока это сделать не так просто. Дело в том, что имеющееся сегодня в Sandia Lab оборудование не способно дать более 26 МА. При таких характеристиках на нем можно получить лишь состояние равновесия дейтериево-тритиевой смеси, когда затрачиваемая энергия будет полностью возвращаться за счет реакции синтеза ядер атомов. А вот энергетический выигрыш, увы, недостижим.

Сейчас они ведут подготовку нового экспериментального оборудования. Если все пойдет так, как они рассчитывают, опытная проверка модели состоится в конце 2013 года...

Холодный термоядерный синтез известен как одна из крупнейших научных мистификаций XX века. Долгое время большинство физиков отказывались обсуждать даже саму возможность подобной реакции. Однако недавно два итальянских ученых представили публике установку, которая, по их словам, легко его осуществляет. Неужели этот синтез все-таки возможен?

В мире науки опять вспыхнул интерес к холодному термоядерному синтезу, или, как его называют отечественные физики, холодному термояду. Поводом для этого ажиотажа послужила демонстрация итальянскими учеными Серджио Фокарди и Андреа Росси из Университета Болоньи необычной установки, в которой, по словам ее разработчиков, этот синтез осуществляется достаточно легко.

В общих чертах работает этот аппарат так. В металлическую трубку с электрическим подогревателем помещаются нанопорошок никеля и обычный изотоп водорода. Далее нагнетается давление около 80 атмосфер. При первоначальном нагреве до высокой температуры (сотни градусов), как говорят ученые, часть молекул H2 разделяется на атомарный водород, далее тот вступает в ядерную реакцию с никелем.

В результате этой реакции порождается изотоп меди, а также большое количество тепловой энергии. Андреа Росси объяснил, что при первых испытаниях прибора они получали от него около 10-12 киловатт на выходе, в то время как на входе система требовала в среднем 600-700 ватт (имеется в виду электроэнергия, поступающая в прибор при включении его в розетку). По всему получалось, что производство энергии в данном случае было многократно выше затрат, а ведь именно этого эффекта в свое время ждали от холодного термояда.

Тем не менее, по сообщению разработчиков, в данном приборе пока вступает в реакцию далеко не весь водород и никель, а очень малая их доля. Однако ученые уверены, что то, что происходит внутри, представляет собой именно ядерные реакции. Доказательством этого они считают: появление меди в большем количестве, чем могла бы составлять примесь в исходном "топливе" (то есть никеле); отсутствие большого (то есть измеримого) расхода водорода (поскольку он ведь мог бы выступать как топливо в химической реакции); выделяемое тепловое излучение; ну и, конечно, сам энергетический баланс.

Итак, неужели итальянским физикам все-таки удалось добиться термоядерного синтеза при низких температурах (сотни градусов Цельсия — это ничто для подобных реакций, которые обычно идут при миллионах градусах Кельвина!)? Сложно сказать, поскольку до сих пор все рецензируемые научные журналы даже отклонили статьи ее авторов. Скептицизм многих ученых вполне понятен — уже много лет слова "холодный синтез" вызывают у физиков усмешку и ассоциации с вечным двигателем. Кроме того, сами авторы устройства честно признают, что тонкие детали его работы пока остаются вне их понимания.

Многие ученые на протяжении всего XX века пытались осуществить термоядерную реакцию синтеза при низких температурах и обычном давлении, то есть тот самый холодный термояд. Первое сообщение о том, что это возможно, появилось 23 марта 1989 года, когда профессор Мартин Флейшман и его коллега Стенли Понс провели в своем Университете штата Юта пресс-конференцию, где сообщили о том, как они путем почти обычного пропускания тока через электролит получили положительный энергетический выход в виде тепла и зафиксировали идущее от электролита гамма-излучение. То есть провели реакцию холодного термоядерного синтеза.

В июне того же года ученые послали статью с результатами эксперимента в Nature, однако вскоре вокруг их открытия разгорелся настоящий скандал. Дело в том, что исследователи из ведущих научных центров США, Калифорнийского и Массачусетского технологических институтов, в деталях повторили этот эксперимент и подобного не обнаружили. Правда потом последовали два подтверждения, сделанные учеными из Техасского университета "Эй энд Эм" и Института технологических исследований штата Джорджия. Однако и с ними тоже получился конфуз.

При постановке контрольных экспериментов выяснилось, что электрохимики из Техаса неправильно истолковали результаты опыта — в их эксперименте повышенное выделение тепла было вызвано электролизом воды, поскольку термометр служил в качестве второго электрода (катода)! В Джорджии же нейтронные счетчики оказались настолько чувствительными, что реагировали на тепло поднесенной руки. Именно так и был зарегистрирован "выброс нейтронов", который исследователи сочли результатом реакции термоядерного синтеза.

В результате всего этого многие физики преисполнились уверенностью в том, что никакого холодного термояда нет и не может быть, а Флейшман и Понс просто-напросто смошенничали. Тем не менее, другие (а их, к сожалению, явное меньшинство) не верят в мошенничество ученых и даже в то, что здесь была просто ошибка, и надеются, что чистый и практически неисчерпаемый источник энергии сможет быть сконструирован.

К числу последних относится и японский ученый Йосиаки Арата, который несколько лет исследовал проблему холодного термояда и в 2008 году провел в Университете Осака публичный эксперимент, показавший возможность протекания термоядерного синтеза при невысоких температурах. Он и его коллеги использовали особые структуры, состоящие из наночастиц.

Это были специально подготовленные кластеры, состоящие из нескольких сотен атомов палладия. Главная их особенность состояла в том, что они имели внутри обширные пустоты, в которые можно закачивать атомы дейтерия (изотоп водорода) до очень высокой концентрации. И когда эта концентрация превысила определенный предел, данные частицы сблизились друг с другом настолько, что начали сливаться, в результате чего запустилась настоящая термоядерная реакция. Она заключалась в слиянии двух атомов дейтерия в атом лития-4 с выделением тепла.

Доказательством этого служило то, что когда профессор Арата стал добавлять дейтериевый газ к смеси, содержащей упомянутые наночастицы, ее температура поднялась до 70 градусов по Цельсию. После того как газ был отключен, температура в ячейке оставалась повышенной больше 50 часов, причем выделяемая энергия превысила затраченную. По мнению ученого, это можно было объяснить только тем, что произошел ядерный синтез.

Правда, пока эксперимент Араты также не удалось повторить ни в одной лаборатории. Поэтому многие физики продолжают считать холодный термояд мистификацией и шарлатанством. Однако сам Арата отрицает подобные обвинения, упрекая оппонентов в том, что они не умеют работать с наночастицами, поэтому-то у них ничего и не получается.

А вот Андреа Росси и Серджио Фокарди настроены не на бесконечные дискуссии с сомневающимися, а на решительные действия по внедрению своей установки в производство. По их словам, масштабное производство этих приборов должно развернуться в течение двух-трех лет. Ученые считают, что получаемую в их реакторе тепловую энергию можно использовать для обогрева зданий, а можно каким-либо способом трансформировать в электричество. В обоих случаях, по оценке физиков, данная энергия эта будет стоить заметно меньше той, что ныне вырабатывается из угля и нефти.

Что же, время и дальнейшие исследования покажут, была ли демонстрация установки очередным псевдонаучным мошенничеством, или разработчики реактора действительно смогли осуществить первую реакцию холодного термоядерного синтеза. 

Какие бы результаты не получались, главное, ученые не унывают. И, возможно, когда- то в мире настанет новая эра — Эра приручения термоядерной энергии…

http://www.pravda.ru/science/useful/21-02-2011/1066953-coldtermoyad-1/
http://www.pravda.ru/science/eureka/discoveries/29-03-2012/1112609-sandia_lab-1/
http://www.coolreferat.com/

 

Рождение всей энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.