Критерий Лоусона

Чтобы термоядерный синтез стал источником энергии, произведение плотности частиц и времени их удержания на предельно близком расстоянии друг от друга должно превышать определенную величину.

В принципе, термоядерный синтез — реакция, при которой из ядер легких химических элементов образуются более тяжелые (см. Ядерный распад и синтез), — может послужить для человечества источником энергии. При некоторых реакциях масса получающихся ядер (плюс масса образующихся в качестве побочного продукта элементарных частиц) меньше массы исходных ядер, участвующих в реакции, а избыток массы преобразуется в энергию в точном соответствии с хорошо известной формулой Эйнштейна E = mc2.

Основным источником энергии звезд служит термоядерный синтез гелия из ядер водорода — протонов (см. Эволюция звезд). Эта реакция происходит в три этапа; на первом из обычного водорода образуется дейтерий (тяжелый изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона) — происходит это в результате столкновения двух протонов. Попытки воспроизвести управляемый синтез водорода — простейшую из термоядерных реакций — находятся в центре пристального внимания физиков-ядерщиков начиная с середины ХХ века. Мотивация тут проста: запасы дейтерия в мировом океане практически неограниченны, и он может стать буквально неисчерпаемым источником энергии для человечества на многие века — но лишь при условии, что удастся заставить ядра дейтерия вступить между собой в реакцию синтеза.

Попытки поставить ядерный синтез на службу человечеству в качестве источника энергии идут в обход первичного этапа термоядерного синтеза, который происходит в недрах звезд; ученые стремятся искусственно воспроизвести реакцию синтеза дейтерия (дейтерий обозначается символом 2Н) и трития (изотоп водорода с одним протоном и двумя нейтронами в ядре, обозначается 3Н). В результате должен получиться атом гелия, испуститься один нейтрон (n) и выделиться искомая энергия. Формула этой реакции такова:

    3Н + 2Н → 4Не + n

Для поддержания запасов трития его, в свою очередь, нужно «воспроизводить» путем улавливания тяжелым изотопом лития (Li) нейтронов, излучаемых в процессе реакции:

    6Li + n → 3H + 4He

Основная проблема с получением управляемого термоядерного синтеза трития и дейтерия заключается в том, как разогнать два положительно заряженных ядра до нужной скорости и заставить их сблизиться на необходимое для начала реакции синтеза минимальное расстояние, преодолев силу электростатического отталкивания. На практике это означает, что смесь трития с дейтерием нужно разогреть до температуры в миллионы градусов, а такой температуры не выдержит никакая материальная оболочка (фактически, речь идет об удержании плазмы; см. Агрегатные состояния вещества). Но, даже добившись столь высокой температуры (а современные технологии это позволяют), мы не будем иметь гарантию, что в результате реакции термоядерного синтеза будет получено больше энергии, чем затрачено нами на разогрев смеси и запуск реакции.

Критерий Лоусона как раз и определяет минимальную частоту реакций синтеза в секунду, необходимую для устойчивого поддержания реакции в материальной среде. Искусственного синтеза можно добиться либо за счет создания крайне высокой плотности взаимодействующих частиц (и, как следствие, повышения до нужного уровня вероятности их соударения) или за счет более длительного удержания частиц на предельно малом расстоянии друг от друга (давая, тем самым, частицам больше времени для вступления в реакцию). Получается, что для того, чтобы термоядерный синтез начал производить энергию, должно быть соблюдено условие:

    Nt > около 1020

где N — концентрация частиц (число частиц в кубометре объема), а t — время (в секундах). Это и есть критерий Лоусона, определяющий условия начала управляемой реакции термоядерного синтеза. Его смысл в том, что по достижении температуры запуска реакции необходим компромисс между концентрацией (или плотностью) частиц и временем их удержания в объеме, обеспечивающем эту плотность. Можно «разжечь» термоядерный синтез при меньшей концентрации частиц за счет более длительного удержания плазмы, а можно — при меньшем времени удержания плазмы за счет повышения плотности частиц в ней.

Соответственно, инженеры-ядерщики пытались добиться управляемого термоядерного синтеза двумя путями, используя два различных подхода к решению проблемы сжатия водорода, его разогрева до состояния плазмы и удержания в процессе реакции термоядерного синтеза. Эти подходы получили название, соответственно, «магнитная ловушка» и «инерциальная ловушка».

При использовании магнитной ловушки плазма удерживается сверхмощным магнитным полем. По мере повышения температуры силовые линии магнитного поля уплотняются, и горячая плазма стягивается от стен контейнера к его центру. Как только плотность и время удержания частиц достигнут порога, определяемого критерием Лоусона, запустится реакция термоядерного синтеза. В принципе, магнитные ловушки уже реализованы технически; в частности, условия, необходимые для запуска реакции управляемого термоядерного синтеза, достигнуты на установке «Торус» общеевропейского проекта JET (Joint European Torus) в Калхэме (Великобритания), однако по причине несовершенства и неэффективности оборудования затраты энергии на запуск реакции термоядерного синтеза по-прежнему превышают энергетическую отдачу от полученной реакции. (В отечественной прикладной науке описываемое устройство принято называть токамак: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. — Примечание переводчика.)

Смысл инерциальной ловушки заключается в том, что капля глубоко охлажденной смеси трития и дейтерия помещается в стеклянную капсулу, а затем со всех сторон обстреливается мощными лазерными лучами. Внешний слой капли моментально испаряется, в результате чего на внутренние слои капли воздействуют сходящиеся ударные волны. Эти ударные волны сжимают и разогревают водород до температуры запуска реакции термоядерного синтеза. В настоящее время лазерная установка для возбуждения инерциальной реакции термоядерного синтеза строится на базе Ливерморской лаборатории (Livermore Laboratory) в Калифорнии. Ее запуск планируется на 2006 год, и каплю водорода там будут облучать 192 лазера с разовым энергетическим импульсом 1,8 мегаджоулей.


9
Показать комментарии (9)
Свернуть комментарии (9)

  • tartufff  | 27.08.2010 | 15:07 Ответить
    Очень интересная информация.
    Ответить
    • off > tartufff | 07.10.2012 | 14:35 Ответить
      А если возбуждать лазер в лазер?
      Ответить
  • Viktor_ns  | 10.06.2013 | 12:56 Ответить
    Критерий Лоусона теряет всякий смысл, если источник высокотемпературной плазмы для УТС обеспечивает наличие пространственно стабилизированного и энергетически устойчивого столба плазмы с постоянными во времени и достаточными для реализации УТС параметрами температуры и концентрации элементарных частиц. Такой источник высокотемпературной плазмы для УТС описан [guidedts.com.ua Управляемый термоядерный синтез, новые подходы...].
    В этой связи хотелось бы получить аргументированный комментарий оппонентов.
    Ответить
    • convigour > Viktor_ns | 17.04.2014 | 01:24 Ответить
      Виктор, а можете более популярным языком объяснить свое высказывание? Дело в том, что в японии уже получили результат, который превышает этот самый критерий в 1,25 раза, и этот критерий, хотя я наверняка ошибаюсь, лежит в основе разработки (даже не разработки, а существования) реактора термоядерной реакции. Неужели страны собрались для того, чтобы дружно выбросить пару десятков миллиардов евро и почти век трудов?
      Ответить
      • Viktor_ns > convigour | 22.04.2014 | 12:34 Ответить
        Согласно существующих представлений “…главное объективное препятствие, которое стояло и до сих пор стоит на пути реализации УТС, заключается в том, что невозможно обеспечить одновременно и высокую температуру плазмы, и высокую концентрацию частиц изотопов водорода в этой плазме (плотность плазмы) с тем, чтобы произошел синтез” [Ялышев Ф.Х., 10.10.2010, www.termoyadu.ne]. В этой связи отметим, источник энергии, обеспечивающий указанные отличительные особенности плазмы и, к тому же, необходимые для УТС параметры температуры и давления плазмы, описан на должном уровне и с необходимыми подробностями [guidedts.com.ua Управляемый термоядерный синтез, новые подходы…]. Он известен уже более сорока лет и является объектом всесторонних экспериментальных и теоретических исследований, а также всевозможных технологическаих применений [guidedts.com.ua Электрическая дуга для новых технологий].
        Применительно к УТС, и только на основе результатов экспериментальных исследований, на доказательном уровне выполнена теоретическая проработка принципиальных физических основ такого источника энергии, разработана и описана технологическая схема процесса и установлены условия его реализации, что позволяет технологически осуществить процесс УТС, используя механизмы естественных связей и движения элементарных частиц.
        Точное знание можно получить только эмпирически. Поэтому в указанных материалах нами представлено обоснование проекта для практической реализации такого источника энергии. Уровень проработки проекта таков, что представляется возможным реализовать его в ближайшие два года, получив таким образом ответ на основной вопрос: насколько реальным является процесс УТС в существующих представлениях, понятиях и терминах (поскольку предложенный источник энергии, согласно существующих представлений, обеспечивает необходимые параметры плазмы для осуществления УТС).
        Спрашивается, однако, почему такое конкретное и, с наших слов, реальное предложение остается незамеченным научной общественностью? Ответ прост. Во-первых, эта работа выполнена вне структур “официальной науки”. Во-вторых, согласно работающего всегда в этих случаях принципа “такого быть не может, потому, что не может быть никогда”.
        Посмотрим на проблему УТС с точки зрения простой сути. Она состоит, прежде всего в том, что мы не имеем “точного знания” о том, насколько реальным является процесс УТС в существующих представлениях, понятиях и терминах и, в конечном счете, насколько возможна его практическая реализация, ибо существуют два взаимо исключающих утверждения, а именно: первое - процесс УТС осуществим и поэтому строим ИТЭР и второе - процесс УТС неосуществим, а проект ИТЭР есть ни что иное как “распил” государственных средств. Истины посредине тут быть не может. Она одна из двух указанных. И искать ее, истину, надо с использованием возможно более простых средств, более простых технических решений. Одно из этих технических решений общеизвестно – это ИТЭР и это очень дорого и долговременно. Второе – предлагаем мы.
        Предлагаемый нами проект, если он реален (а для этого мы приводим его обоснование), позволяет решить указанную проблему УТС уже в ближайшее время, примерно на протяжении двух лет и с привлечением сравнительно небольших средств (примерно в тысячу раз меньших, нежели стоимость проекта ИТЭР). Результат такого проекта - точное знание о возможности осуществления процесса УТС в принципе (ибо предлагаемый источник энергии, согласно существующих представлений, обеспечивает все необходимые условия протекания реакции термоядерного синтеза) и, второе - проект ИТЭР однозначно теряет всякий смысл.
        Ответить
        • Валя Гриневич > Viktor_ns | 05.01.2016 | 17:37 Ответить
          Меня заинтересовала установка, на которой Вы работали при обосновании своего проекта. В ней Вы применили "динамическое давление поперечного к столбу дуги силового поля, например, потока среды-диэлектрика" (воды, масла), другими словами - охлаждение столба дуги проточной жидкостью. Посмотрите, какая получится температура этой дуги при использовании воды. Имеем давление Рd воды 1 МПа, получаем скорость V воды 4500 см/с (т.к. Рd = рV2/2). Имеем удельную мощность К дуги 140000 кВт/см3, удельную теплоемкость С воды 4 Дж/гградус, сечение потока воды S ~ 1 см2, плотность р воды 1 г/см3, получаем температуру дуги Т ~ 8000 градусов (Т = К/(VCSр)).
          Поэтому неудивительно, что Вы сами заметили, что "такая дуга представляет собой чрезвычайно скромный источник света", и никак не поможет получить миллионы градусов для УТС.
          Сожалею.
          Ответить
          • Viktor_nsv > Валя Гриневич | 20.01.2016 | 16:13 Ответить
            Уважаемая Валя Гриневич!
            Прежде всего обратимся к используемой Вами формуле Т = К/(VCSр. Спрашивается, является ли эта формула достаточно обоснованой, в частности, чтобы утверждать, что при К = 140000 кВт/см3 температура дуги Т ~ 8000 градусов? Спрашивается также, в этой связи, описывает ли эта формула физическую логику взаимосвязей указанных в формуле параметров и, вообще, откуда она, эта формула? Хотелось бы получить ответы на эти вопросы.
            А теперь обратимся к представленным нами первичным материалам: guidedts.com.ua - Электрическая дуга для новых технологий. Управляемый термоядерный синтез - новые подходы. Получение и удержание в столбе дуги высокотемпературной плазмы для управляемого термоядерного синтеза. Читаем обоснование проекта:
            - стр. 3, формула 3;стр. 8, таблица 1 - читаем, при указанной К = 140000 кВт/см3 температура плазмы в столбе дуги Т = 500000К (и это совсем не 8000 градусов, как следует из приведенной Вами выше форнмулы.
            - стр. 15, рис. 3 - читаем, температура высокотемпературной плазмы в столбе дуги для УТС Т = 10000000К.
            Таким образом, на наш взгляд, дискуссия должна состоять прежде всего в том, насколько обоснованными являются представленные нами материалы.
            Ответить
            • Валя Гриневич > Viktor_nsv | 22.01.2016 | 16:47 Ответить
              Уважаемый Виктор!
              В основном я только хотел обратить Ваше внимание, что нужно дополнительно учесть отвод тепла от столба дуги проточной водой, что значительно снижает температуру дуги и объясняет тот эффект, что при увеличении скорости воды падает яркость дуги.
              Формулу получил следующим образом.
              Считаем, что дуга идеальная для получения высокой температуры, то есть вся мощность электрического источника питания превращается в тепло дуги, а тепло уносится только проходящей водой.
              По определению удельная теплоемкость воды рассчитывается по формуле:
              С = Q /(mT), где Q - тепло, полученное водой, m - масса воды, Т - температура воды после получения тепла (пренебрегаем начальной температурой воды),
              из которой получаем температуру воды:
              Т = Q /(mC).
              Масса воды:
              m = VSрt, где t - время прохождения этой массы через столб дуги.
              Тепло, полученное водой:
              Q = KtVдуги ~ Kt (считая, что объем дуги Vдуги ~ 1 см3).
              Подставив Q и m в формулу для температуры, получим температуру воды в области дуги
              Т = К /(VCSp).
              Вы можете учесть другие параметры установки, которые я не учел, например, в формуле для расчета тепла Q учесть отвод тепла электродами, но это еще больше снизит рассчитанное значение температуры.
              Ответить
              • Viktor_nsv > Валя Гриневич | 25.01.2016 | 14:34 Ответить
                Уважаемый Валя Гриневич!
                Наиболее сложной для понимания является простая суть вещей.
                Электрическая дуга представляет собой столб плазмы. Температура дуги определяется энергией елементарных частиц этой плазмы. Поэтому температура дуги - это никоим образом не температура воды в области дуги, определяемая по выведенной Вами формуле Т = К /(VCSp), что, кстати, тоже совершенно некорректно, ибо там совсем иные законы передачи тепла от дуги к воде.
                Таким образом, повторим, на наш взгляд, дискуссия должна состоять прежде всего в том, насколько обоснованными являются представленные нами материалы.
                Ответить
Написать комментарий

1905, 1916
1917, 1934
около 1930
1957
Критерий Лоусона
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»