Что такое термоядерный синтез?

Что есть что в ядерной сфере

Термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро с высвобождением огромного количества энергии. Реакции синтеза происходят в агрегатном состоянии вещества, называемом плазмой — горячем заряженном газе, состоящем из положительных ионов и свободно движущихся электронов, который обладает уникальными свойствами, отличными от свойств твердых тел, жидкостей или газов.

Маттео Барбарино, Департамент ядерных наук и применений МАГАТЭ

Термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро с высвобождением огромного количества энергии.

Реакции синтеза происходят в агрегатном состоянии вещества, называемом плазмой — горячем заряженном газе, состоящем из положительных ионов и свободно движущихся электронов, который обладает уникальными свойствами, отличными от свойств твердых тел, жидкостей или газов.

Солнце, как и другие звезды, излучает энергию именно благодаря этой реакции. Для того чтобы внутри Солнца произошло слияние ядер, они должны столкнуться друг с другом при чрезвычайно высокой температуре, около десяти миллионов градусов Цельсия. Высокая температура дает им достаточно энергии, чтобы преодолеть взаимное электрическое отталкивание. Как только ядра преодолевают его и оказываются на очень близком расстоянии друг от друга, ядерная сила притяжения между ними перевешивает силу отталкивания и позволяет им слиться. Чтобы это произошло, ядра должны находиться в замкнутом пространстве, что увеличивает вероятность их столкновения. Идеальные условия для термоядерного синтеза на Солнце обеспечивает колоссальное давление, создаваемое мощной гравитацией.

Для чего ученые изучают термоядерные процессы?

С тех пор, как в 1930-х годах была сформулирована теория ядерного синтеза, многие ученые, такие как Ханс Бете, Пётр Капица и Игорь Тамм, а в последнее время и инженеры, стремились воспроизвести этот процесс и управлять им. Это связано с тем, что если ядерный синтез удастся запустить на Земле и реализовать в промышленных масштабах, то он сможет обеспечить практически безграничное количество чистой, безопасной и доступной энергии для удовлетворения мировых потребностей.

Термоядерный синтез способен генерировать в четыре раза больше энергии на килограмм топлива, чем деление ядер (используемое на атомных электростанциях) и почти в четыре миллиона раз больше энергии, чем сжигание нефти или угля.

Большинство разрабатываемых концепций термоядерных реакторов предполагают использование смеси дейтерия и трития — атомов водорода, содержащих дополнительные нейтроны. Теоретически, используя всего несколько граммов этих реактивов, можно получить тераджоуль энергии — такого количества энергии одному жителю развитой страны может хватить примерно на шестьдесят лет.

Термоядерное топливо широко распространено и легко доступно: дейтерий может быть извлечен из морской воды, для чего не требуются дорогостоящие технологии, а тритий потенциально может быть получен в результате реакции нейтронов, генерируемых при термоядерном синтезе, с литием, широко доступным в природе. Этих запасов топлива хватит на миллионы лет. Также будущие термоядерные реакторы безопасны по своей природе и, как ожидается, не будут вырабатывать высокоактивные или долгоживущие ядерные отходы. Кроме того, поскольку процесс термоядерного синтеза трудно запустить и поддерживать, нет риска возникновения цепной реакции и расплавления реактора; термоядерный синтез может происходить только в строгих эксплуатационных условиях, вне которых (например, в случае аварии или отказа системы) плазма естественным образом остынет, очень быстро потеряет свою энергию и погаснет, прежде чем реактору будет нанесен какой-либо существенный ущерб.

Важно отметить, что ядерный синтез, как и деление ядер, не приводит к выбросу в атмосферу углекислого газа и других парниковых газов, поэтому во второй половине этого века он может стать долгосрочным источником низкоуглеродной электроэнергии.

what_is_fusion_ru.png

Горячéе солнца

На Солнце условия для термоядерного синтеза естественным образом создаются благодаря мощнейшей гравитационной силе, однако без этой силы для запуска реакции необходима температура даже выше, чем внутри Солнца. На Земле для синтеза дейтерия и трития необходима температура более 100 миллионов градусов Цельсия, и одновременно с этим должно регулироваться давление и магнитные силы, чтобы обеспечить стабильное удержание плазмы и поддержание реакции синтеза в течение достаточно долгого времени, чтобы произвести больше энергии, чем потребовалось для ее запуска.

Хотя условия, очень близкие к необходимым для создания термоядерного реактора, в настоящее время регулярно воспроизводятся в  ходе экспериментов, для поддержания реакции и устойчивого получения энергии все еще необходимо усовершенствовать методы удержания плазмы и обеспечения ее стабильности. Ученые и инженеры со всего мира продолжают разрабатывать и испытывать новые материалы и технологии для получения чистой термоядерной энергии.

Чего мы добились в развитии термоядерных технологий?

Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов, хотя пока и без выделения бóльшего количества энергии, чем изначально требовалось для запуска самой реакции. Специалистами уже были придуманы различные конструкции и установки на основе магнитов, в которых может происходить реакция термоядерного синтеза, такие как стеллараторы,  разработанные в США Лайманом Спитцером,  и токамаки,  разработанные в СССР Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, а также подходы, основанные на использовании лазеров, линейных ускорителей и усовершенствованного топлива.

Сколько времени потребуется для успешного освоения термоядерной энергии будет зависеть от мобилизации ресурсов за счет создания глобальных партнерств и налаживания сотрудничества, а также от того, насколько быстро промышленность сможет разработать, проверить и сертифицировать новые термоядерные технологии. Другим важным вопросом является параллельное развитие необходимой ядерной инфраструктуры, в том числе требований, стандартов и передового опыта, необходимых для работы с этим будущим источником энергии.

После 10 лет проектирования, подготовки площадки и производства компонентов по всему миру, в 2020 году во Франции началась сборка ИТЭР — крупнейшей в мире международной термоядерной установки. ИТЭР — это международный проект, целью которого является демонстрация научной и технологической осуществимости производства термоядерной энергии, а также отработка технологий и концепций для будущих демонстрационных термоядерных энергетических установок, называемых DEMO. ИТЭР начнет осуществлять свои первые эксперименты во второй половине этого десятилетия, а эксперименты на полной мощности планируется начать в 2036 году.

what_is_fusion_-_tokamak_ru.png

Временные рамки реализации программ DEMO в разных странах варьируются, но эксперты сходятся во мнении, что термоядерная электростанция, вырабатывающая электроэнергию, может быть построена и запущена к 2050 году. Параллельно с этим, определенные успехи в разработке концепций термоядерных электростанций также достигаются многочисленными коммерческими предприятиями, финансируемыми из частных источников. Опираясь на знания, накопленные за годы исследований и разработок, финансируемых государством, они стремятся обуздать термоядерную энергию еще раньше.

what_is_fusion_iter_ru_1.png

Какую роль играет МАГАТЭ?

МАГАТЭ уже давно находится в центре международных исследований и разработок в области термоядерного синтеза и недавно начало поддерживать инициативы по разработке и внедрению технологий на ранних стадиях.

  • Для обмена информацией о достижениях в области ядерного синтеза МАГАТЭ начало выпускать в 1960 году журнал, посвященный термоядерному синтезу. В настоящее время этот журнал считается ведущим периодическим изданием в данной области. МАГАТЭ также регулярно публикует технические документы,  информационные и образовательные материалы по термоядерному синтезу.
  • Первая международная Конференция МАГАТЭ по энергии термоядерного синтеза была проведена в 1961 году, а с 1974 года МАГАТЭ созывает конференцию каждые два года, чтобы способствовать обсуждению разработок и достижений в этой области.  Посмотрите короткий фильм об истории этой серии конференций.
  • С 1971 года свой вклад в укрепление международного сотрудничества в области термоядерных исследований вносит Международный совет МАГАТЭ по исследованиям термоядерного синтеза.
  • Соглашение по ИТЭР передано на хранение Генеральному директору МАГАТЭ. Партнерство между МАГАТЭ и Организацией ИТЭР осуществляется на основе соглашения о сотрудничестве, подписанного в 2008 году, которое было расширено в 2019 году.
  • МАГАТЭ содействует международному сотрудничеству и координации деятельности по программам DEMO во всем мире.
  • МАГАТЭ проводит ряд технических мероприятий и координированных исследований по темам, связанным с физикой термоядерного синтеза и разработкой и внедрением соответствующих технологий, а также организует и поддерживает образовательные и учебные мероприятия по термоядерному синтезу.
  • МАГАТЭ администрирует цифровые базы основных данных по исследованиям термоядерной энергии, а также Информационную систему по термоядерным устройствам (FusDIS), в которой собрана информация о термоядерных устройствах, эксплуатируемых, строящихся или проектируемых по всему миру.
  • МАГАТЭ осуществляет проект, посвященный синергизму развития технологий на стыке использования ядерных реакций деления и синтеза для производства энергии, а также обеспечению долгосрочной устойчивости — включая обращение с радиоактивными отходами — и правовым и институционным вопросам в области термоядерных установок.
  • МАГАТЭ изучает ключевые аспекты безопасности, охватывающие весь жизненный цикл термоядерных установок, что предполагает выпуск соответствующих руководящих материалов и специализированных справочных документов.
  • МАГАТЭ содействует предварительному обоснованию типовой демонстрационной установки термоядерного синтеза.

Why are the scientists studying fusion energy?

Ever since the theory of nuclear fusion was understood in the 1930s, scientists — and increasingly also engineers — have been on a quest to recreate and harness it. That is because if nuclear fusion can be replicated on earth at an industrial scale, it could provide virtually limitless clean, safe, and affordable energy to meet the world’s demand.

Fusion could generate four times more energy per kilogram of fuel than fission (used in nuclear power plants) and nearly four million times more energy than burning oil or coal.

Most of the fusion reactor concepts under development will use a mixture of deuterium and tritium — hydrogen atoms that contain extra neutrons. In theory, with just a few grams of these reactants, it is possible to produce a terajoule of energy, which is approximately the energy one person in a developed country needs over sixty years.

Fusion fuel is plentiful and easily accessible: deuterium can be extracted inexpensively from seawater, and tritium can potentially be produced from the reaction of fusion generated neutrons with naturally abundant lithium. These fuel supplies would last for millions of years. Future fusion reactors are also intrinsically safe and are not expected to produce high activity or long-lived nuclear waste. Furthermore, as the fusion process is difficult to start and maintain, there is no risk of a runaway reaction and meltdown; fusion can only occur under strict operational conditions, outside of which (in the case of an accident or system failure, for example), the plasma will naturally terminate, lose its energy very quickly and extinguish before any sustained damage is done to the reactor.

Importantly, nuclear fusion — just like fission — does not emit carbon dioxide or other greenhouse gases into the atmosphere, so it could be a long-term source of low-carbon electricity from the second half of this century onwards.

infographic-nuclear_fusion_web-story_02.jpg

Hotter than the sun

While the sun’s massive gravitational force naturally induces fusion, without that force a temperature even higher than in the sun is needed for the reaction to take place. On Earth, we need temperatures of over 100 million degrees Celsius to make deuterium and tritium fuse, while regulating pressure and magnetic forces at the same time, for a stable confinement of the plasma and to maintain the fusion reaction long enough to produce more energy than what was required to start the reaction.

While conditions that are very close to those required in a fusion reactor are now routinely achieved in experiments, improved confinement properties and stability of the plasma are still needed to maintain the reaction and produce energy in a sustained manner. Scientists and engineers from all over the world continue to develop and test new materials and design new technologies to achieve net fusion energy.

See more information in the following video:

The Future of Fusion Energy

Providing energy from nuclear fusion is widely regarded as the grand engineering challenge of the twenty-first century. What needs to be done to make fusion power commercially viable?

Where do we stand on fusion technology development?

Nuclear fusion and plasma physics research are carried out in more than 50 countries, and recently researchers have finally achieved scientific energy gain in a fusion experiment for the first time. Experts have come up with different designs and magnet-based machines in which fusion takes place, like stellarators and tokamaks, but also approaches that rely on lasers, linear devices and advanced fuels.

How long it will take for fusion energy to be successfully rolled out will depend on mobilizing resources through global partnerships and collaboration, and on how fast the industry will be able to develop, validate and qualify emerging fusion technologies. Another important issue is to develop in parallel the necessary nuclear infrastructure, such as the requirements, standards, and good practices, relevant to the realisation of this future energy source.

Following 10 years of component design, site preparation, and manufacturing across the world, the assembly of ITER in France, the world’s largest international fusion facility, commenced in 2020. ITER is an international project that aims to demonstrate the scientific and technological feasibility of fusion energy production and prove technology and concepts for future electricity-producing demonstration fusion power plants, called DEMOs. ITER will start conducting its first experiments in the second half of this decade and full-power experiments are planned to commence in 2036.

infographic-nuclear_fusion_web-story_03.jpg

DEMO timelines vary in different countries, but the consensus among experts is that an electricity-producing fusion power plant could be built and operating by 2050. In parallel, numerous privately funded commercial enterprises are also making strides in developing concepts for fusion power plants, drawing on the know-how generated over years of publicly funded research and development, and proposing fusion power even sooner.

infographic-nuclear_fusion_web-story_04.jpg

What is the role of the IAEA?

The IAEA has a long history of being at the core of international fusion research and development, and recently started supporting early technology development and deployment

  • The IAEA launched the Nuclear Fusion journal in 1960 to exchange information about advances in nuclear fusion. The journal is now considered the leading periodical in the field. The IAEA also regularly publishes TECDOCs and outreach and educational material on fusion.
  • The first international IAEA Fusion Energy Conference was held in 1961 and, since 1974, the IAEA convenes a conference every two years to foster discussion on developments and achievements in the field.  See a short film about the history of this conference series
  • Since 1971, the IAEA International Fusion Research Council has served as a catalyst for establishing improved international collaboration in fusion research.
  • The ITER Agreement is deposited with the IAEA Director General. Collaboration between the IAEA and the ITER Organization is formalized through a cooperation agreement in 2008, which was expanded and deepened in 2019.
  • The IAEA facilitates international cooperation and coordination on DEMO programme activities around the world.
  • The IAEA implements a series of technical meetings and coordinated research activities on topics relevant to fusion science and technology development and deployment, and organizes and supports education and training activities on fusion.
  • The IAEA maintains numerical databases of fundamental data for fusion energy research, as well as the Fusion Device Information System (FusDIS), which compiles information on fusion devices operating, under construction or being planned around the world.
  • The IAEA is carrying out a project on synergies in technology development between nuclear fission and fusion for energy production, and on the long-term sustainability – including the handling of radioactive waste – and legal and institutional issues for fusion facilities.
  • The IAEA is investigating key safety aspects covering the whole lifecycle of fusion facilities, where guidelines and specific reference documents are needed.
  • The IAEA is supporting a pre-feasibility study of a generic fusion demonstration plant.

 

This article was first published on iaea.org on 31 March 2022.

Ресурсы по теме

Подробнее

Fusion Physics Section Division of Physical and Chemical Sciences

More on the IAEA

  1. Contact
  2. Privacy Policy
  3. Logo Usage Guidelines

Scientific resources

  1. NUCLEUS
  2. International Nuclear Information System (INIS)
  3. Power Reactor Information System (PRIS)
  4. Nuclear Data Services (NDS)

Resources

  1. Employment
  2. Gender at the IAEA
  3. Press

Documents

  1. Information Circulars
  2. Treaties
  3. Standards and guides
  4. Safeguards and Additional Protocol

Stay in Touch