К вопросу о термоядерном синтезе

27.01.2010

Физики впервые доказали

Столкновения элементарных частиц образуют чёрные дыры

Физики из США и Канады впервые доказали, что при столкновении элементарных частиц могут образовываться микроскопические черные дыры. Статья ученых выходит в Physical Review Letters, а ее краткое изложение приводит ScienceNOW. На него, в свою очередь, ссылается Lenta.ru.

Для любого сферического тела с фиксированной массой определен так называемый радиус Шварцшильда — при радиусе меньше этого значения образуется черная дыра, то есть объект со столь мощным гравитационным полем, что даже свет не может покинуть его окрестности. Для Земли этот радиус составляет, например, 8,84 миллиметра.

Еще с начала 70-х годов прошлого века ученые предполагали, что при столкновении частиц с очень большой энергией (в теории относительности масса и энергия связаны знаменитым соотношением E = mc2) могут возникать эффекты, аналогичные сжатию массы до радиуса Шварцшильда. В рамках нового исследования ученые провели численное моделирование столкновения двух частиц и установили, что в этом случае черные дыры действительно могут образовываться.

При этом ученые подчеркивают, что вероятность обнаружения дыр на Большом адронном коллайдере (БАК) очень невелика. Это связано с тем, что энергии столкновений, достижимые на ускорителе, на много порядков меньше, чем необходимые для формирования дыр. Единственный возможный сценарий появления этих объектов — наличие у Вселенной дополнительных пространственных измерений. Однако даже в этом случае дыры будут жить относительно недолго.

Возникновение во время экспериментов на БАК микроскопических черных дыр является одной из самых популярных «страшилок», связанных с ускорителем. Совсем недавно физики установили, что в возникновении дыр может не быть ничего необычного — все известные на настоящий момент элементарные частицы могут представлять собой миниатюрные черные дыры.

Lenta.ru

***

Создана новая установка для запуска реакции термоядерного синтеза

Группа американских физиков доложила о первых успешных результатах эксперимента по запуску реакций термоядерного синтеза новым способом. Подробности работы приведены в статье авторов в журнале Nature Physics. Коротко исследование описано в пресс-релизе Массачусетского технологического института, на него ссылается Lenta.ru.

Реакциями термоядерного синтеза называют реакции слияния ядер легких элементов с образованием ядер более тяжелых. Этот процесс сопровождается выделением колоссального количества энергии, однако для запуска подобных реакций требуются энергетические «вложения», намного превышающие выход. В природе реакции термоядерного синтеза происходят, например, в недрах звезд при огромных давлениях и температурах. Люди добились протекания реакций слияния ядер при взрыве водородных бомб.

Одной из основных трудностей при разработке подходов к проведению управляемых термоядерных реакций является необходимость поддерживать в стабильном состоянии плазму — ионизированный газ. Именно в таком состоянии находится вещество при температурах, необходимых для запуска термоядерных реакций. На сегодняшний день наиболее перспективным считается использование токамаков — магнитов тороидальной формы. Токамаки должны стать основной экспериментального реактора ITER, строительством которого будут заниматься ученые из множества стран.

Авторы новой работы решили использовать совсем другой подход. Ученые задействованы в эксперименте под названием Levitated Dipole Experiment — LDX (это можно перевести как эксперимент с использованием левитирующего диполя). Для создания установки LDX физики использовали свои знания о взаимодействии плазмы с магнитными полями планет. При помощи сверхпроводящего магнита, «подвешенного» в пространстве за счет работы другого магнита, исследователи создали магнитное поле, по своим характеристикам напоминающее магнитное поле Земли (левитация необходима для того, чтобы избежать искажений формы поля).

Вокруг магнита расположена внешняя камера, в которой находится нагретая до 10 миллионов градусов Цельсия плазма. То есть, в отличие от установок с токамаками, плазменный шнур расположен снаружи от магнита. В созданной учеными конструкции возмущения, возникающие в плазме, дополнительно «сближают» атомы газа. При использовании других подходов они, напротив, «расталкивают» частицы плазмы. Подобную «концентрацию» плазмы астрономы фиксировали при наблюдениях магнитосферы Земли или Юпитера.

Несмотря на первый успех, саму реакцию синтеза ученым пока запустить не удалось. Более того, для дальнейшей работы на LDX физикам необходимо создать систему более точного, чем сейчас, измерения температуры плазмы — критического параметра запуска термоядерного синтеза.

Это не первая альтернатива «классическим» подходам к запуску реакций термоядерного синтеза. В прошлом году General Fusion заявила о создании реактора, в котором слияние ядер должно запускаться под воздействием звуковых волн.

Lenta.ru

***

Экспериментальный термоядерный реактор (International thermonuclear experimental reactor) сооружается вблизи города Кадараш во Франции. Он призван доказать научно-техническую осуществимость самой идеи использовать энергию термоядерного синтеза в промышленных масштабах. ИТЭР представляет из себя установку, создающую условия для синтеза тяжелых изотопов водорода - дейтерия и трития. При этом изотопы выгорают, практически не оставляя радиоактивных отходов.

Реакция синтеза идет в высокотемпературной плазме - до 150 миллионов градусов, и удержание этой плазмы - едва ли не главная технологическая сложность в реализации всего проекта ИТЭР. По оптимистичным оценкам, на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании такого же количества органического топлива, и примерно в сто (!) раз больше, чем при расщеплении ядер урана в реакторах ныне действующих АЭС. Если расчеты ученых и конструкторов оправдаются, это даст человечеству неисчерпаемый источник энергии.

В проекте ИТЭР участвуют страны Европейского союза, Китай, Индия, Россия, США, Южная Корея и Япония. Вкладом нашей страны в ближайшее время должно стать создание промышленного производства сверхпроводящих материалов на Чепецком механический заводе (Удмуртия), который входит в корпорацию "Росатом". Самой корпорации под эти цели выделено на 2010 год из федерального бюджета 4,25 миллиарда рублей - почти в 1,9 раза больше средств, чем планировалось ранее.

Как пояснили в "Росатоме", это связано с решением управляющего комитета ИТЭР о пропорциональном увеличении финансового вклада стран-участниц, "поскольку материалы, оборудование, услуги неуклонно дорожают, а расходы на оплату труда растут".

Досье "РГ"

Общую стоимость строительства оценивают в 5 миллиардов евро, еще столько же потребуется для его опытной эксплуатации. Доли Индии, Китая, Кореи, России, США и Японии составляют приблизительно по 10 процентов от общей стоимости, 45 процентов приходится на страны Европейского союза. Однако пока европейские государства не договорились, как именно расходы будут распределены между ними. Из-за этого начало строительства перенесено на апрель 2010 года. Несмотря на очередную отсрочку, ученые и чиновники, вовлеченные в создание ИТЭР, утверждают, что смогут завершить проект к 2018 году.

Российская газета, Александр Емельяненков

©РАН 2020