Термоядерная энергия это кратко

Обновлено: 05.07.2024

Если в атомной энергетике используется реакция деления тяжелых ядер, то в термоядерной энергетике используется реакция синтеза легких ядер с образованием более тяжелых. Топливом для термоядерной энергетики могут служить ядра изотопов водорода, в первую очередь тяжелого водорода — дейтерия, а также сверхтяжелого водорода — трития. В результате термоядерного синтеза образуется гелий, а высвобождается в 7-8 раз больше энергии, чем при ядерной реакции деления. Дейтерий входит в состав тяжелой воды, которая содержится в любой воде. В 1 литре природной воды его содержится около 0,04 г, но количество энергии, которое может быть получено при реакции синтеза, эквивалентно тепловой энергии, получаемой при сжигании 500 кг нефти или 700 кг высококачественного угля.

Осуществить реакцию синтеза легких ядер значительно труднее, чем реакцию деления тяжелых ядер. Реакция синтеза происходит при сближении ядер на расстояние порядка 10 -13 см. Ядра дейтерия несут положительный заряд и взаимно отталкиваются, следовательно, они должны обладать очень большой кинетической энергией, чтобы преодолеть электростатические силы отталкивания и сблизиться. Такие условия можно обеспечить, если нагреть вещество до астрономических температур. Выделяющаяся при слиянии ядер энергия еще выше будет поднимать температуру вещества, участвующего в реакции синтеза, возникает ускоряющаяся термоядерная реакция.

Установка имеет тороидальную замкнутую камеру, надетую на ярмо трансформатора. Внутрь камеры выпускается газообразный дейтерий при сравнительно невысоком давлении. С помощью трансформатора в камере наводится ток индукции, который ионизирует газ, превращая его в плазму. Силовые линии, охватывая плазменный виток, сжимают его, а проходящий по витку плазмы ток нагревает ее.

Плазма, разогретая током и сжатая магнитным полем в шнур, удерживается внутри рабочей камеры в результате того, что силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно току индукции и охватывают плазменный виток. Чтобы плазменный виток был устойчивым, на поверхность рабочей камеры надевают магнитные катушки, создающие сильное поле, силовые линии которого направлены параллельно току в плазме.

В результате взаимодействия двух магнитных полей образуется коаксиальное магнитное поле со спиральными линиями, охватывающими шнур плазмы. Энергия реакции термоядерного синтеза (около 80 %) выделяется в виде кинетической энергии образующихся нейтронов и используется для нагрева первичного теплоносителя (лития или гелия) в кольцевой камере, окружающей виток плазмы. Около 20 % общего энерговыделения составляет энергия заряженных частиц. Эту часть энергии используют для получения электроэнергии методами прямого преобразования.

Воспринятая в кольцевой камере теплота передается в парогенераторе рабочему телу — воде; полученный пар второго контура, как и в двухконтурных атомных электростанциях, направляется в паровые турбины для выработки электроэнергии.

Следует отметить, что синтез легких ядер в отличие от реакций деления тяжелых ядер не сопровождается образованием долгоживущих радиоактивных осколков, как в атомном реакторе.

Подробнее о реакторе можно почитать на Википедии.

Источник: Полещук И.З., Цирельман Н.М. Введение в теплоэнергетику: Учебное пособие пособие / Уфимский государственный авиационный технический университет. – Уфа, 2003.

Годы шли… Сейчас 2013-й год, а человечество до сих пор получает бОльшую часть энергии от сжигания угля, как в 19-м веке. Почему так получилось, что мешает создать термоядерный реактор, и чего нам ждать в будущем — под катом.

Ядро атома, как мы помним, состоит в первом приближении из протонов и нейтронов (=нуклонов). Для того, чтобы от атома оторвать все нейтроны и протоны — нужно затратить определенную энергию — энергию связи ядра. Эта энергия отличается у различных изотопов, и естественно, при ядерных реакциях баланс энергии должен сохраняться. Если построить график энергии связи для всех изотопов (из расчета на 1 нуклон), получим следующее:

Отсюда мы видим, что получать энергию мы можем или разделяя тяжелые атомы (вроде 235 U), или соединяя легкие.

Наиболее реалистичные и интересные в практическом отношении следующие реакции синтеза:

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%
2 D+ 2 D -> 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50%
3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8.7 MeV

В этих реакциях используется Дейтерий (D) — его можно получать прямо из морской воды, Тритий (T) — радиоактивный изотоп водорода, сейчас его получают как отход на обычных ядерных реакторах, можно специально производить из лития. Гелий-3 — вроде-бы на Луне, как мы все уже знаем. Бор-11 — природный бор на 80% состоит из бора-11. p (Протий, атом водорода) — обычный водород.

Для сравнения, при делении 235 U выделяется ~202.5 MeV энергии, т.е. гораздо больше чем при реакции синтеза из расчета на 1 атом (но из расчета на килограмм топлива — конечно термоядерное топливо дает больше энергии).

Реакция 4 интересна тем, что в результате получаем 3 альфа-частицы, с которых теоретически можно напрямую энергию снимать (т.к. они фактически представляют собой движущиеся заряды = ток).

В общем, интересных реакций достаточно. Вопрос лишь в том, насколько просто их осуществить в реальности?

А вот при реакции синтеза — у нас есть 2 ядра имеющие заряд, и они отталкиваются друг от друга. Для того, чтобы сблизить их на нужное для реакции расстояние — нужно, чтобы они двигались с достаточной скоростью. Скорости такой можно либо достичь в ускорителе (когда все атомы в результате двигаются с одной оптимальной скоростью), или нагреванием (когда атомы летают как попало в случайных направлениях и случайной скоростью).

Вот график, показывающий скорость реакции (сечение) в зависимости от скорости (=энергии) сталкивающихся атомов:

Таким образом, только реакция D+T хотя бы отдаленно доступна человеку, со всеми её недостатками (радиоактивность трития, сложности с его получением, наведенная нейтронами радиация).

Но как вы понимаете, взять и нагреть что-то до ста миллионов градусов и оставить реагировать не выйдет — любые нагретые предметы излучают свет, и таким образом быстро остывают. Плазма нагретая до сотни миллионов градусов — светит в рентгеновском диапазоне, и что самое печальное — она прозрачна для него. Т.е. плазма с такой температурой фатально быстро остывает, и чтобы поддерживать температуру нужно постоянно вкачивать гигантскую энергию на поддержание температуры.

Впрочем, из-за того, что в термоядерном реакторе газа очень мало (например в ITER — всего пол грамма), все получается не так плохо: чтобы нагреть 0.5г водорода до 100 млн градусов нужно потратить примерно столько же энергии, сколько для нагревания 186 литров воды на 100 градусов.

Есть еще критерий Лоусона, показывающий, будет ли реакция давать больше энергии, чем тратится. Помимо температуры важна еще плотность (само собой выше плотность плазмы — быстрее реакция идет) и время удержания плазмы (чтобы успело прореагировать). Соответственно, системы могут быть импульсные (Z-Machine, NIF, термоядерный заряд — короткое время реакции, высокая температура и плотность) и постоянные (токамак — низкая плотность и температура, длительное время реакции).

Посмотрим теперь, какие подходы есть к реализации термоядерного реактора.

Звезда — естественный термоядерный реактор. Горячая плазма под высоким давлением удерживается гравитацией, а все излучаемое рентгеновское излучение — за счет огромной плотности и размеров поглощается. Таким образом ядро не остывает даже при относительно маленьких скоростях реакции. Из-за этого в ядре сгорает не только водород и дейтерий, но и гораздо более тяжелые элементы. К сожалению, на земле такую конструкцию реализовать затруднительно.

Существует и схема радиационной имплозии — когда первичный ядерный взрыв рентгеновским излучением обжимает и нагревает отдельную сферу с термоядерным топливом.

Это конечно все хорошо работает в целях разрушения, но в целях получения энергии этот подход использовать не получается, очень уж высока минимальная мощность взрыва, и слишком много обычных радиоактивных продуктов реакции плутония/урана.

Линейные ускорители: идея проста — берем мишень из любого удобного дейтерида металла, и в маленьком линейном ускорителе разгоняем до нужной скорости атомы трития. Получаем настоящую термоядерную реакцию, и выходом энергии и 14.1 MeV нейтронов. Такой источник можно использовать для поиска нефти и воды (например на марсианском ровере MSL стоит российский импульсный источник нейтронов DAN), и в качестве внешнего импульсного нейтронного инициатора в ядерных зарядах.

Почему-же так нельзя вырабатывать электричество? На разгон атомов тратится намного больше энергии, чем мы получаем в результате реакции (далеко не все разгоняемые атомы реагируют). По моим расчетам DAN например имеет КПД порядка 0.0016%.

Во всем мире построено порядка 300 токамаков, и самый современный и крупный из них — строящийся международный проект ITER (в том числе и при участии России). В нем должен быть наконец достигнут показатель Q=10 (т.е. выделение энергии в 10 раз больше затрачиваемой на нагрев и удержание плазмы). Водородную плазму (т.е. без термоядерной реакции) собираются зажечь в 2020-м, а начать запуски с дейтерий-тритиевой плазмой — в 2027, если конечно все пойдет по плану и не случится какой-нибудь очередной кризис.

Нестабильность плазмы. Разряд норовит где-то становится тоньше, где-то — толще, вплоть до разрыва кольца (с прекращением тока) или касанием стенок. С проблемой боролись увеличением размеров камеры, добавлением полоидального магнитного поля (вокруг вертикальной оси камеры).
Тритий — дорог, и его нужно много для производства энергии. Если мы единственный нейтрон, образующийся в реакции D+T с помощью лития-6 конвертируем в 1 атом трития — за счет неизбежных потерь нейтронов трития будет все меньше и меньше. Необходимо использовать размножение нейтронов — используя например литий-7 или свинец, которыми нужно обложить внутреннюю стенку реактора (бланкет), и доставать оттуда как-то тритий.
Мощное нейтронное излучение: на ту же вырабатываемую мощность нейтронный поток в ~5-10 раз больше, чем у обычных ядерных реакторов, и сами нейтроны имеют намного большую энергию. Это значит, что если конструкцию реактора сделать из тех же материалов, то срок службы у нее будет 5 лет, а не 50 (как у обычных реакторов).
Поскольку плазма с огромной температурой теряет много энергии на излучение, а камера должна быть большой для обеспечения стабильности — минимальная мощность реактора получается большой, сотни мегаватт.

Проект завершился 30 сентября 2012 года. Оказалось, в компьютерной модели были неточности. По новой оценке, достигнутая в NIF мощность импульса 1.8 мегаджоуля — 33-50% от требуемой, чтобы выделилось столько же энергии, сколько было затрачено.

Sandy Z-machine Идея такая: возьмем большую кучу высоковольтных конденсаторов, и резко разрядим их через тоненькие вольфрамовые проволочки в центре машины. Проволочки мгновенно испаряются, через них продолжает течь огромный ток в 27 миллионов ампер на протяжении 95 наносекунд. Плазма, нагретая до миллионов и миллиардов(!) градусов — излучает рентгеновское излучение, и обжимает им капсулу с дейтерий-тритиевой смесью в центре (энергия импульса рентгеновского излучения — 2.7 мегаджоуля).

Планируется апгрейд системы с использованием российской силовой установки (Linear Transformer Driver — LTD). В 2013-м году ожидаются первые тесты, в которых получения энергия сравнится с затрачиваемой (Q=1). Возможно, у этого направления в будущем появится шанс сравниться и превзойти токамаки.

Farnsworth–Hirsch fusor Идея проста — размещаем две сферические сетки в вакуумной камере наполненной дейтерием, или дейтерий-тритиевой смесью, прикладываем между ними потенциал в 50-200 тысяч вольт. В электрическом поле атомы начинают летать вокруг центра камеры, иногда сталкиваясь между собой.

Выход нейтронов есть, но он довольно мал. Большие потери энергии на тормозное рентгеновское излучение, внутренняя сетка быстро раскаляется и испаряется от столкновений с атомами и электронами. Хотя конструкция интересна с академической точки зрения (собрать её может любой студент), КПД генерации нейтронов намного ниже линейных ускорителей.

Polywell — хорошие напоминание о том, что не все работы по термоядерному синтезу публичны. Работа финансировалась ВМФ США, и была засекречена, пока не были получены отрицательные результаты.

Идея — развитие Farnsworth–Hirsch fusor. Центральный отрицательный электрод, с которым было больше всего проблем, мы заменяем облаком электронов, удерживаемых магнитным полем в центре камеры. Все тестовые модели имели обычные, а не сверхпроводящие магниты. Реакция давала единичные нейтроны. В общем, никакой революции. Возможно, увеличение размеров и сверхпроводящие магниты и изменили бы что-то.

Мюонный катализ — радикально отличающаяся идея. Берем отрицательно-заряженный мюон, и заменяем им электрон в атоме. Поскольку мюон в 207 раз тяжелее электрона — в молекуле водорода 2 атома будут намного ближе друг к другу, и произойдет реакция синтеза. Единственная проблема — если в результате реакции образуется гелий (шанс ~1%), и мюон улетит с ним — больше в реакциях он участвовать не сможет (т.к. гелий не образует химического соединения с водородом).

Проблема тут в том, что генерация мюона на данный момент требует больше энергии, чем может получится в цепочке реакций, и таким образом пока энергию тут не получить.

Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём. Тема действительно важная, ведь этот процесс является одним из ключевых источников энергии в современной Вселенной (благодаря нему, например, светит наше Солнце) и, возможно, в будущем станет почти неисчерпаемым источником энергии для Человечества, то есть для нас с вами.

Самая знаменитая формула на свете

Если вы интересуетесь физикой, то, думаю, хоть раз в жизни видели эту формулу:

Например, при столкновении частицы с её античастицей (скажем, электрона и позитрона) они взаимно уничтожаются с выделением энергии. То есть, их масса полностью переходит в энергию, и величина выделившейся энергии в точности определяется вышеупомянутой формулой, где под массой имеется в виду суммарная масса позитрона и электрона.

Но верно и обратное: не только масса способна превращаться в энергию, но и энергия способна превращаться в массу – или по крайней мере всё будет выглядеть так, что тело приобрело дополнительную массу в результате наделения его энергией.

Например, если мы разгоним частицу в ускорителе, то с точки зрения внешнего наблюдателя она начнёт вести себя так, как будто её масса выросла. Более яркий пример – фотоны, или кванты, т.е. мельчайшие порции, электромагнитного излучения. Согласно современным представлениям (с существенной точностью подтверждённым экспериментами) они вообще не имеют массы. Однако они обладают энергией, и поэтому в реальности ведут себя так, как будто масса у них есть.

И более того: в подавляющем большинстве случаев, когда мы говорим о массе, на самом деле мы имеем в виду выглядящую как массу энергию. Объясню, что я имею в виду.

Несуществующая масса

Окружающие нас тела состоят из молекул, молекулы состоят из атомов, а почти вся масса атомов сосредоточена в атомных ядрах. Атомные ядра, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов, то есть, получается, что масса окружающих нас тел в значительной степени определяется исключительно тем, какую массу имеют составляющие их протоны и нейтроны (с некоторыми оговорками, о которых речь пойдёт ниже).

Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков: в каждом из них их по три. Так вот: если мы просуммируем массу кварков, составляющих, например, протон, то окажется, что их суммарная масса составляет лишь около 1/10 от массы протона. Откуда же берутся остальные 9/10, ведь внутри протона кроме кварков других массивных, т.е. имеющих массу, частиц нет?

Структура протона: два u-кварка и один d-кварк

Всё дело в том, что кварки внутри протона или нейтрона находятся в поле ядерного взаимодействия, которое называется сильным взаимодействием. Это одна из фундаментальных физических сил, известных нам на сегодняшний день, наряду с силой тяжести, электромагнитной силой и ещё одним видом взаимодействия, именуемого слабым: в повседневной жизни мы с ним не сталкиваемся, в нашем тексте о нём речи также не будет, так что пока отложим его в сторону.

Мы знаем, что тело, помещённое в некоторое поле, в результате получает определённую энергию. Например, камень, поднятый над землёй, начинает обладать потенциальной энергией, пропорциональной его массе, ускорению свободного падения (то есть характеристике гравитационного поля Земли) и высоте. Будет обладать потенциальной энергией и заряженное тело, помещённое в электрическое поле.

Точно также и кварки внутри протона и нейтрона обладают определённой (и весьма значительной!) энергией, обусловленной их участием в сильном взаимодействии друг с другом.

2+2=?

Пойдём дальше, и соединим протоны и нейтроны в более сложные структуры – атомные ядра. Например, одно из простейших сложных ядер – это ядро атома дейтерия, состоящее из одного протона и одного нейтрона. Дейтерий – старший брат обычного водорода, ядро которого по сути представляет собой одиночный протон.

Так вот, масса протона составляет примерно 1,0073 т.н. атомной единицы массы, или а.е.м (1/12 массы атома углерода). Масса протона составляет 1,0087 а.е.м. Чему же будет равна масса ядра дейтерия? По идее, 1,0073 + 1,0087 = 2,016 а.е.м, не так ли?

А вот и не угадали. На самом деле масса ядра дейтерия – 2,0136 а.е.м, то есть примерно на 0,0024 меньше, чем должна быть.

Классическим примером является поведение мелких капель воды на оконном стекле или капель жира на поверхности супа. Вы, думаю, видели, как такие мелкие капельки сливаются в более крупные. В целом любые жидкие капли проявляют склонность к такому слиянию. Причина – более крупные капли обладают меньшей энергией, а точнее, меньшей энергией поверхностного натяжения.

При этом надо помнить, что энергия поверхностного натяжения – это, в конечном счёте, энергия взаимодействия молекул внутри жидкости (которая, кстати, имеет электрическую природу, но об этом тоже в другой раз). И вот оказывается, что объект с большим числом частиц (большим объёмом, т.е. в данном случае большей массой) обладает меньшей энергией.

В русскоязычной физической литературе эту разницу принято называть дефектом массы (имея в виду, что масса итогового ядра меньше суммы масс компонентов), в англоязычной же говорят об избытке массы (mass excess), имея в виду, что исходные компоненты по сумме тяжелее, чем получившееся из них ядро.

Больше – значит… легче?

Эта тенденция характера для всех лёгких атомов: чем больше количество протонов и нейтронов в атоме, тем меньшая масса приходится на каждый протон и нейтрон. А значит, при слиянии более простых атомов в более сложные будет выделяться энергия. Именно этот процесс называется ядерным (термоядерным) синтезом.

Последний вариант превращения массы в энергию мы уже освоили и используем в атомных реакторах, радиоизотопных электрогенераторах и других устройствах. Однако эта технология обладает рядом недостатков: для реакторов необходимо достаточно редкое и дорогое топливо, запасы которого к тому же ограничены; кроме того, побочным продуктом реакции являются высокорадиоактивные отходы, обращение с которыми представляет известную трудность.

Ядерный синтез перспективнее, однако освоить его сложнее: если тяжёлые радиоактивные ядра в принципе распадаются сами по себе, и нам остаётся лишь собирать выделившуюся энергию. Но для того, чтобы заставить склеиться лёгкие ядра, надо приложить немало сложностей.

Вопреки кулону

Вернёмся к нашему примеру с каплями на стекле (или, скажем, на поверхности супа): мы видим, что они достаточно легко сливаются без всяких усилий с нашей стороны, так как природа склонна переводить системы в состояние с минимальной энергией. Но если мы придадим нашим каплям некий одноимённый электрический заряд, то мы увидим, что сливаться капли перестали. Причина понятна: сила электростатического отталкивания препятствует их достаточному сближению.

Физики говорят, что электрические силы создают между атомами потенциальный барьер, который ещё называют кулоновским. Для того, чтобы атомы могли преодолеть этот барьер и столкнуться, запустив процесс ядерного синтеза, они, во-первых, должны находиться достаточно близко друг к другу, а во-вторых иметь достаточную скорость. На языке параметров вещества это означает, что для запуска термоядерного синтеза вещество должно находиться под большим давлением и иметь высокую температуру.

Причём высокую – это мягко сказано: речь идёт о миллионах и даже десятках миллионов градусов. Для сравнения, самый жаростойкий материал, сегодня известный человечеству, а именно особый вид карбонитрида гафния (Hf-CN) имеет температуру плавления порядка 4000 градусов. Увы, это примерно в две тысячи раз меньше, чем нужно.

В принципе, мы уже умеем запускать термоядерные реакции в земных условиях – собственно, именно это происходит в термоядерных бомбах. Но там экстремальные давления и температуры возникают в эпицентре ядерного взрыва: огромная энергия выделяется за доли секунды, что отлично подходит для произведения чудовищных разрушений.

Но мирно собрать и использовать выделившуюся таким образом энергию сложновато: в термоядерном реакторе, в отличие от бомбы, энергия должна выделяться постепенно, небольшими порциями, то есть, быть устойчивой.

Устойчивые термоядерные реакции вполне прекрасно идут, например, в недрах звёзд, в том числе нашего Солнца – именно благодаря выделяющейся в результате этих реакций энергии оно и светит. Однако там экстремальные условия (температура и давление) возникли в результате гравитационного сжатия колоссальных масс вещества. Гравитация системы также обеспечивает устойчивость реакции.

Солнечная топка

В Солнце основым видом термоядерной реакции является многоступенчатое превращение водорода в гелий.

Сначала два атома водорода – по сути, обычные протоны – сливаются в нестабильную систему под названием дипротон, т.е. пару протонов, он же изотоп гелий-2. Этот изотоп крайне нестабилен и распадается в среднем через миллиардную долю секунды. Но иногда за это время один из протонов может спонтанно превратиться в нейтрон, и тогда дипротон превратится в стабильный тяжёлый водород – дейтерий (1 протон, 1 нейтрон).

На каждом из этих этапов выделяется энергия, благодаря которой, повторимся, и светит Солнце.

Однако на Земле осуществить подобный цикл невозможно по ряду причин.

Превращение дипротона в дейтерий – процесс вероятностный, причём вероятность того, что это случится, на самом деле невелика с учётом малого времени жизни дипротона. Для того, чтобы такая реакция шла и давала выход энергии, нужны колоссальные массы вещества. Но это полбеды, можно было бы работать, скажем, с уже готовым дейтерием (он в достаточных количествах содержится в любом количестве водорода, например, того, который можно получить из простой воды). К сожалению, это не единственная сложность.

Для того, чтобы в реакторе существовало гравитационное поле, способное создать и поддерживать условия для термоядерной реакции, масса реактора должна быть сравнимой с массой Солнца - строго говоря, быть не меньше 0,078 его массы, или примерно в 26 тысяч раз тяжелее Земли. По понятным причинам, создать нечто подобное нам пока не под силу. Нужно идти другим путём.

Например, можно вместо гравитации использовать для обжатия и нагрева термоядерного топлива электромагнитные поля.

Например, можно поместить топливо в специальную конструкцию в виде полого тора (проще говоря, бублика) покрытую проводящей обмоткой. Если через эту обмотку пропускать электрический ток, то возникнет магнитное поле, которое сдавливать плазму, обжимая её от краёв канала к центру и удерживая в своеобразной магнитной ловушке без непосредственного контакта материалов реактора с раскалённым веществом.

Схема устройства

Вид изнутри.

. и снаружи

На практике же реализовать всё это достаточно сложно, ведь находящееся в столь экстремальном состоянии вещество обладает особенностями поведения, в которых мы пока что недостаточно хорошо разбираемся. И сейчас тысячи учёных по всему миру усиленно работают над тем, чтобы приручить электромагнитные поля и раскалённое вещество, заставив их подчиняться нашей воле.

На пути к искусственному Солнцу

Во-первых, с собой этот нейтрон уносит значительную (80 %) часть энергии, вырабатываемой при реакции синтеза, что сильно уменьшает её КПД.

Например, если бы удалось создать условия, в которых сможет протекать более требовательная к ним реакция между атомами только дейтерия (без трития), то это уже вывело бы перспективы термоядерной энергетики на совершенно новый уровень. Увы, пока мы их запускать не умеем.

Термоядерные реакции в дейтериевом (D) монотопливе: p — протон, n — нейтрон, T — тритий, He — гелий, в конце указана выделяющаяся энергия

Безнейтронные реакции синтеза

К сожалению, гелий-3 на Земле практически не встречается, и его надо либо получать искусственно (возможно, но дорого, хотя и дешевле трития), либо можно привезти с Луны, где его по идее много. Какой путь окажется дешевле –пока неясно (космические технологии тоже не стоят на месте!), но сначала нужно научиться нормально работать с раскалённой плазмой.

Управляемый термоядерный синтез — чудо, которое давно ждут и которое всё никак не станет реальностью. Ничего эффективнее построенной на термоядерном синтезе энергетики быть не может. После изобретения термоядерных электростанций энергии станет столько, что хватит всем, притом почти даром. Но титанические усилия учёных до сих пор не увенчались успехом, хотя бьются над этой проблемой уже больше полувека. Так достижимо ли термоядерное совершенство?

Термоядерный синтез гелия из водорода — самая распространённая реакция во Вселенной. И самая эффективная в плане выхода энергии по отношению к массе использованного горючего. А ещё, вероятно, самая экономичная, поскольку во Вселенной вообще мало что есть, кроме водорода.

Если мы получаем энергию не путём термоядерного синтеза, то мы получаем её неоптимальным способом. Любой другой источник заведомо менее производителен, потребляет топливо, запасы которого (по сравнению с запасами водорода) ограничены, а зачастую оно ещё и отравляет окружающую среду отходами. У термоядерного реактора в этом отношении всё идеально, гелий-то не отход, а безвредный газ для воздушных шариков.

И всё же идея термоядерной энергетики не особо популярна у фантастов. Откуда берётся электроэнергия в процветающих мирах будущего, обычно не говорят вообще или упоминают какой-нибудь люксоген с дробной пространственной размерностью. Писатели интуитивно чуяли связанный с термоядерным синтезом подвох. Учёные же, напротив, долгое время принципиальных затруднений не предвидели.

Первыми спровоцировать термоядерные реакции пытались ещё учёные нацистской Германии. Немцы наивно надеялись вызвать детонацию тяжёлого водорода химической взрывчаткой и помещали дейтерий внутрь кумулятивной воронки (на фото — немецкий ядерный объект в 1945 году)

Ни в 1970-е, ни в 1980-е водородные электростанции не появились. Но учёные не сомневались: промышленный синтез возможен даже с доступными технологиями, если их правильно применить.

К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Прогноз ухудшили до двадцати пяти лет. А в начале XXI столетия — до пятидесяти. Теоретические знания углубились настолько, что стало непонятно, с какой стороны подступиться к задаче.

Казалось бы, мелочь. Ну порог, ну и что? С точки зрения физики высоких энергий это не порог, а курам на смех! Мощный ускоритель частиц не просто столкнёт протоны лбами, он расплющит их друг о друга в кварк-глюонную плазму! Но кварки нам не нужны. Так что берём синхротрон попроще и направляем пучок протонов на мишень из содержащего водород материала. Порог реакции будет преодолеваться, и в мишени начнётся синтез.

Термоядерный реактор ZETA, 1957 год

Термоядерный синтез окажется экономически целесообразным, только если реакция станет цепной: чтобы необходимая для преодоления барьера температура в камере сгорания достигалась за счёт самого синтеза ядер.

Вторая часть проблемы в том, что проводить протон-протонный синтез не только сложно, но и бессмысленно. При столкновении двух протонов рождается дейтрон — состоящее из протона и нейтрона ядро тяжёлого водорода, плюс позитрон и нейтрино. Львиную долю энергии уносит нейтрино, проходящее сквозь нашу планету, как свет сквозь стекло, и, как следствие, малопригодное для кипячения воды.

Итак, имитация природных процессов — не наш путь. Разогретый до миллионов градусов металлический водород нельзя получить в лабораторных условиях. А если б и было можно, то миллиард лет выколачивать из него энергию по искре — идея сомнительная. Термоядерный реактор должен воспроизводить не будничное тление светил, а условия взрыва сверхновой, когда реакции идут при температуре, обеспечивающей преодоление кулоновского барьера при каждом столкновении.

Конечно, удерживать разогретое до температуры 100 миллионов кельвинов вещество можно только в плазменной форме. Причём речь тут о плазме в том смысле, какой вкладывают в этот термин физики. Физическая плазма — не ионизированный газ, а четвёртое агрегатное состояние вещества, наблюдающееся при разрежении столь высоком, что взаимодействием частиц можно пренебречь. Плазма не подчиняется обычным для газа законам. В ней нет давления, она не нагревается при сжатии и, что особенно приятно, не стремится занять весь доступный объём. Ценой минимальных затрат её можно удерживать в магнитной ловушке в форме кольца. Независимо от температуры, ядра послушно будут бегать по кругу вблизи центральной оси откачанной трубы.

Тороидальная магнитная ловушка

Ситуация как будто парадоксальная. Нет взаимодействия — не может быть и столкновений, реакций синтеза и разогрева вещества. Но грань между плазмой и газом тонка. Скажем, хотя каждый кубический километр космической туманности представляет собой плазму, облако в целом живёт по законам газа. Туманность настолько велика, что молекула не может покинуть её пределы без взаимодействий с другими. Так и в магнитной ловушке при любой плотности вещество будет газом, ведь пробег бесконечен, и одна частица непременно столкнётся с другой. Притом с ростом температуры (а значит, и скорости, и расстояния, преодолеваемого частицей за единицу времени) будет расти и давление. В плоскости же поперечной линии движения частицы будут существовать по законам плазмы.

Идею пылающего кольца, плотного в одном измерении и представляющего собой высокий вакуум в прочих, уже в 1950-х успешно воплотили в советских установках ТОКАМАК и американских стеллараторах, различающихся способами предварительного разогрева топлива. И в СССР, и в США в качестве термоядерного горючего использовали смесь дейтерия и трития, так как реакции с участием тяжёлого и сверхтяжёлого водорода возможны при меньшей, чем у других элементов, температуре.

Новый ТОКАМАК (Казахстан)

Но нет, положительный выход достигнут не был. А в конце прошлого века даже у оптимистов возникло подозрение, что это и к лучшему. Проблема термоядерного синтеза заключалась в тритии. В случае синтеза с участием тяжёлого и сверхтяжёлого водорода 80% выделившейся энергии уносил рождающийся в реакции нейтрон.

Эти не имеющие заряда частицы сочетают высокую проникающую способность с исключительной зловредностью. С электронными оболочками атомов нейтроны не взаимодействуют, что позволяет им преодолевать десятки метров бетона и свинца. Попадая же в атомное ядро, нейтрон или разрушает его, или поглощается им, превращаясь в радиоактивный изотоп. А образующиеся в материале пузырьки газа приводят к потере прочности, деформации и разрушению стальных деталей. В лучшем случае после множества рикошетов нейтрон просто распадается и становится атомом водорода.

Персонал электростанции может укрыться от нейтронного излучения за бассейнами с водой (они в любом случае понадобятся для охлаждения), но защитить сам реактор от нейтронов не выйдет. А энергетическая установка, расходующая 80% выделяющейся энергии на саморазрушение, прослужит недолго.

Тритий радиоактивен, но при распаде его ядра выделяются лишь нейтрино и электрон. Последний так слаб, что вредит только если тяжёлый водород включился в состав тканей организма. Брелок с тритиевой подсветкой — это безопасно. Даже если его проглотить

Поскольку тритий как термоядерное горючее не выдерживает критики, надежды связывают с изотопом гелий-3. Порог его реакции с дейтерием существенно выше, поскольку два протона гелиевого ядра отталкивают третий со вдвое большей силой. Но продуктами синтеза оказываются ядро обычного гелия (альфа-частица) и протон, что уже даёт выигрыш впятеро благодаря отсутствию нейтронных потерь.

Кроме того, гелий-3, в отличие от трития, стабилен и встречается в природе. Его много на Луне. Ещё в 1980-х годах подсчитали, что доставка гелия с Луны на Землю экономически оправдана. Для покрытия годичных потребностей человечества в энергии потребуется всего сотня тонн этого газа. Другой вопрос, что добыча такого количества гелия-3 предполагает переработку миллиардов тонн лунного грунта. Так что пока выгоднее производить гелий-3 искусственно. Из трития. И это ставит под вопрос осмысленность разработки даже экспериментальных установок для термоядерных реакций с участием гелия.

По разным причинам изотопы первых двух химических элементов в любых комбинациях для энергетики будущего бесполезны. Как и при создании водородной бомбы, исследователи убедились, что только на третий элемент периодической таблицы — литий — можно положиться. Он безопасен, не производит нейтроны при синтезе и, в отличие от реакторных изотопов водорода и гелия, ничего не стоит.

Но в случае с литием уже три протона будут объединёнными силами отталкивать четвёртый! И эта разница — решающая. В тороидальном (в форме бублика) плазменном реакторе изотопы водорода горят на практике. Гелий… должен в теории. Литий же не должен вообще! При температуре детонации его ядер плазма не может иметь необходимую для цепной реакции плотность.

Термоядерный ракетный двигатель

Самый мощный и качественно лучший среди всех, что мы можем вообразить. В современном ионном двигателе ядерная энергия преобразуется в электрическую, а электрическая — в кинетическую энергию ускоренного полем ионизированного газа. В сопле термоядерной ракеты энергия синтеза превращается в кинетическую сразу. Рабочим телом служит продукт реакции — гелий, ускоренный термоядерным жаром до 40 000 км/с (13% от скорости света).

Литий — ещё один кандидат в спасители термоядерного синтеза

То, что порог вступления лития в термоядерные реакции хоть и высок, но преодолим, экспериментально установлено больше полувека назад. Нужно только с умом взяться за дело. Если капсулу с дейтеридом лития сперва обжать близким ядерным взрывом, а потом, в момент, когда её объём сократится вдесятеро, подорвать внутри капсулы второй ядерный заряд, то на фронте столкновения ударных волн всё получится. И прежде чем брошенные навстречу друг другу атомы поймут, куда им разлетаться, термоядерный заряд успеет выгореть.

Поскольку выделившейся энергии не так-то просто покинуть зону реакции, синтез, невозможный в плазме, в сжатом веществе даже при относительно низкой температуре разгорается по цепному принципу. Не использовать такое преимущество глупо. Импульсные реакторы, в которых термоядерная энергия выделяется в процессе микровзрывов, начали разрабатывать одновременно с плазменными — ещё в 1950-х годах.

Долгое время, впрочем, было больше разговоров, чем реальных дел. Несмотря на примитивность общего замысла, сложность установки не отвечала технологиям прошлого века. Детонацию ведра лития, допустим, можно вызвать встречным взрывом пары атомных бомб. Но чем с достаточной силой ударить по весящей одну сотую грамма крупице термоядерного горючего?!

Целевая камера на National Ignition Facility (NIF)

Праздновать победу тем не менее рано. Дело не только в том, что в качестве топливных таблеток NIF использовали стеклянные шарики с дейтерий-тритиевым льдом, а потому превысившая затраты на лазерный импульс энергия выделилась в форме быстрых нейтронов, не имеющих ценности. Добившись успеха с водородом, можно будет перейти к экспериментам с гелием, а затем и с литием, заменив лазеры на более эффективные циклические ускорители…

Уголь будущего: сподумен — прозрачный минерал, содержащий литий

А хочется очень! Только термоядерная энергия позволит колонизировать Солнечную систему, переправляя грузы на Марс не тоннами, а миллионами тонн, перегоняя на околоземную орбиту железоникелевые астероиды и добираясь до спутников Нептуна за три-четыре месяца.

Энергия синтеза, которую можно получать без ограничений (лития не так много, как водорода, но достаточно), полностью изменит и Землю. Станут возможными глобальные проекты, скажем, по очистке атмосферы от избытка парниковых газов, накопившихся в эпоху углеводородной энергетики.

Углекислый газ из атмосферы в любом случае придётся изымать, одновременно повышая плотность отражающей солнечный свет облачности. Ведь неограниченное производство электроэнергии, большей частью переходящей в тепло, обязательно приведёт к перегреву планеты. Но новые, немыслимые сейчас, возможности термоядерной эры наверняка позволят сгладить остроту проблем, ими же порождённых.

Термоядерный синтез , называемый так же холодным синтезом - реакция, которая находится на слуху уже у трех поколений людей. Все знают, что это холодный синтез призван спасти мировую энергетику, но далеко не каждый, хоть примерно, понимает - как. В этой статье мы увидим, чем же так привлекательна термоядерная энергия, и с какими проблемами сталкиваются разработчики этой технологии.

Идея получения энергии из термоядерных реакций изначально заключена в следующем: реагенты - дейтерий (атомы водорода с двумя нейтронами в ядре) и тритий (те же водородинки, но уже с тремя нейтронами) сталкиваются друг с другом в камере с высокой температурой. Всё чудо метода кроется в том, что столкновения дейтерия и трития вызывают ядерную реакцию, которая на выходе выдает гораздо больше энергии, чем было вложено в ее поддержание. Наверняка многие слышали заявление: "стакан воды сможет обеспечивать энергией небольшой городок целый год!" - отчасти оно правдиво, но каждый атом водорода в этой воде должен превратиться в дейтерий и тритий, что само по себе - сложная задача.

Кстати, несмотря на то, что реакция проходит при температурах в миллионы градусов - синтез все равно считается холодным. Всё дело в том, что термоядерные реакции гораздо менее энергозатратные, чем остальные ядерные реакции. Именно за счет термоядерной реакции живет наше солнце - в его ядре постоянно "сгорает" топливо, состоящее из изотопов водорода, а колоссальные давление и масса внутри звезды поддерживают достаточную температуру. Таким образом, внутри солнца выделяется колоссальная энергия, а из продуктов реакции получаются все известные нам химические элементы из таблицы Менделеева!

Две главные проблемы на пути к покорению термоядерного синтеза - дорогое топливо и технические трудности. Дейтерий и тритий - редкие изотопы водорода, индустриальное производство которых все еще не налажено. А стабилизация реакции требует поддержания плазмы, температура которой может достигать десятков миллионов градусов! Одно из предложенных решений - удерживать ее в подвешенном состоянии с помощью мощного магнитного поля.

Вы так же можете ознакомиться со следующими статьями о физике и энергетике:

Оставляйте свои вопросы в комментариях, редакция всегда рада ответить на них :)

Читайте также: