Почему при термоядерной реакции выделяется энергия

Термоядерные реакции − реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах. Эти реакции обычно идут с выделением энергии, поскольку в образовавшемся в результате слияния более тяжёлом ядре нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют, в среднем, бoльшую энергию связи, чем в исходных сливающихся ядрах. Избыточная суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции. Название “термоядерные реакции” отражает тот факт, что эти реакции идут при высоких температурах (>10 7 –10 8 К), поскольку для слияния лёгкие ядра должны сблизиться до расстояний, равных радиусу действия ядерных сил притяжения, т.е. до расстояний ≈10 -13 см. А вне зоны действия этих сил положительно заряженные ядра испытывают кулоновское отталкивание. Преодолеть это отталкивание могут лишь ядра, летящие навстречу друг другу с большими скоростями, т.е. входящие в состав сильно нагретых сред, либо специально ускоренные.
Ниже приведены несколько основных реакций слияния ядер и указаны для них значения энерговыделения Q. d означает дейтрон − ядро 2 Н, t означает тритон − ядро 3 Н.

d + d → 3 He + n + 4.0 МэВ,
d + d → t + p + 3.25 МэВ,
t + d → 4 He + n + 17.6 МэВ,
3 He + d → 4 He + p + 18.3 МэВ.

Реакция слияния ядер начинается тогда, когда сталкивающиеся ядра находятся в области их взаимного ядерного притяжения. Чтобы так сблизиться, сталкивающиеся ядра должны преодолеть их взаимное дальнодействующее электростатическое отталкивание, т.е. кулоновский барьер. Скорость реакции слияния крайне мала при энергиях ниже нескольких кэВ, но она быстро растет с ростом кинетичской энергии ядер, вступающих в реакцию. Соответствующие эффективные сечения реакций в зависимости от энергии дейтрона приведены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость эффективных сечений реакции слияния
от энергии дейтрона.

Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности ≈100 г/см 3 и температуре 10 7 К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 ( 4 Не). При каждом таком превращении выделяется энергия 26.7 МэВ. Эта цепочка реакций (называемая протон-протонной) начинается с реакции (1) и приведена на рисунке.

На Земле самоподдерживающиеся термоядерные реакции с выделением огромной энергии осуществлялись в течение очень короткого времени (10 -7 –10 -6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких взрывах, является реакция слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:

2 Н + 3 Н 4 Не + n.

При этом освобождается энергия 17.6 МэВ.
В настоящее время ведутся работы по созданию термоядерного реактора, где ядерную энергию в промышленных масштабах предполагается получать за счёт управляемого термоядерного синтеза

Термоядерные процессы
Ядерные реакции в звездах
Ядерные реакции на Солнце и в звездах
Образование элементов
Лазерный термоядерный синтез
Лазерный термоядерный синтез в кластерах

ЭНЕРГИЯ ИЗ УСКОРИТЕЛЯ

Человеческая цивилизация не может ни существовать, ни тем более развиваться без энергии. Сегодня основными ее источниками служат нефть, газ и уголь. По оценкам специалистов, запасы этих ископаемых на исходе, и уже наши внуки могут столкнуться с очень серьезной проблемой нехватки энергии. Поэтому исследователи всех развитых стран связывают надежды на преодоление грядущего энергетического кризиса с управляемой термоядерной реакцией. Такая реакция — синтез гелия из дейтерия и трития — миллионы лет протекает на Солнце, а в земных условиях ее вот уже пятьдесят лет пытаются осуществить в гигантских и очень дорогих лазерных установках, токамаках и стеллараторах. Однако есть и другие пути решения этой непростой задачи, и вместо огромных токамаков для осуществления термоядерного синтеза можно будет, вероятно, использовать довольно компактный и недорогой коллайдер — ускоритель на встречных пучках.

Кольцевой зал ускорителя У-70 (Протвино). Справа примыкает канал ввода ионов (в данном случае — протонов, ионов водорода Н) первичного источника (синхротрона) в ускоритель. Ускоритель-коллайдер для термоядерного синтеза может иметь гораздо меньшие размеры

Термоядерный синтез в луче лазера требует сооружения циклопических устройств. На снимке — одна из 192 линий исследовательской установки, построенной в Ливерморской национальной лаборатории (США).

Проблема управляемого термоядерного синтеза — одна из важнейших задач, стоящих перед человечеством. По данным Мирового энергетического совета, разведанных запасов углеводородного топлива на Земле осталось на 50—80 лет. Единственный долгосрочный источник энергии — это ядерная энергия, которая выделяется в процессе деления или синтеза. Между тем эксплуатация атомных электростанций, работающих за счет деления ядер урана, приводит к серьезным экологическим проблемам. Процесс термоядерного синтеза в значительной степени свободен от недостатков, присущих процессу деления. В реакции синтеза не образуется долгоживущих радиоактивных изотопов, топливом для нее служат тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий. В литре обычной воды содержится примерно 0,03 г дейтерия, но в процессе его реакции выделяется столько же энергии, сколько при сгорании 300 литров бензина! Запасов дейтерия на Земле хватит, чтобы обеспечивать человечество энергией около миллиарда лет. Немаловажно, что производство термоядерного топлива уже сегодня очень недорого: в нынешних условиях цена составила бы 1—2 копейки за киловатт электроэнергии и будет снижаться в дальнейшем.

Суммируя сказанное, можно сделать вывод: кто получит управляемую реакцию синтеза, тот практически полностью обеспечит себя энергией. И можно смело утверждать, что решение этой проблемы окупит все затраты.

С физической точки зрения задача формулируется несложно. Для осуществления самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза необходимо и достаточно соблюсти два условия.

1. Энергия участвующих в реакции ядер должна составлять не менее 10 кэВ. Чтобы пошел ядерный синтез, участвующие в реакции ядра должны попасть в поле ядерных сил, радиус действия которых 10-12—10-13 с·см. Однако атомные ядра обладают положительным электрическим зарядом, а одноименные заряды отталкиваются. На рубеже действия ядерных сил энергия кулоновского отталкивания составляет величину порядка 10 кэВ. Чтобы преодолеть этот барьер, ядра при столкновении должны иметь кинетическую энергию по крайней мере не меньше данной величины.

2. Произведение концентрации реагирующих ядер на время удержания, в течение которого они сохраняют указанную энергию, должно быть не менее 1014 с·см-3. Это условие — так называемый критерий Лоусона — определяет предел энергетической выгодности реакции. Чтобы энергия, выделившаяся в реакции синтеза, хотя бы покрывала расходы энергии на инициирование реакции, атомные ядра должны претерпеть много столкновений. В каждом столкновении, при котором происходит реакция синтеза между дейтерием (D) и тритием (Т), выделяется 17,6 МэВ энергии, т. е. примерно 3·10-12 Дж. Если, например, на поджиг затрачивается энергия 10 МДж, то реакция будет неубыточной, если в ней примут участие не менее 3·1018 пар D—Т. А для этого довольно плотную плазму высокой энергии нужно удерживать в реакторе достаточно долго. Такое условие и выражается критерием Лоусона.

Если удастся одновременно выполнить оба требования, проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена.

Схематично термоядерный реактор можно представить в виде некоторого «черного ящика», в который вводятся топливо (дейтерий и тритий) и энергия E1 для его нагрева. Выходят из «ящика» продукты реакции — ?-частицы, нейтроны и выделяющаяся при синтезе энергия Е2, которая должна быть больше затраченной Е1.

Однако техническая реализация данной физической задачи сталкивается с огромными трудностями. Ведь энергия 10 кэВ — это температура 100 миллионов градусов. Вещество при такой температуре удержать в течение даже долей секунды можно только в вакууме, изолировав его от стенок установки.

В настоящее время решение проблемы управляемого синтеза развивается по двум главным направлениям: магнитное удержание плазмы (токамаки, стеллараторы и пр.) и инерциальное удержание (лазерный синтез).

Лазерный синтез методом термоядерных микровзрывов, поджигаемых мощными лазерными импульсами, в последнее время развивается наиболее интенсивно (см. «Наука и жизнь» № 11, 1999 г.). Здесь достигнуты большие успехи в технике сведения лучей, инжектировании топливных капсул, диагностике плазмы и т. п. Дело за малым — требуется лазерная система, обладающая необходимыми параметрами и с энергией импульса 1—10 МДж. А таковой в настоящее время не существует, и, следовательно, пока нет никаких реальных оснований прогнозировать успех данных работ.

Магнитное удержание сводится к попытке получить квазистационарное горение плазмы. Эти методы имеют уже почти полувековую историю. Путем многочисленных экспериментальных исследований найдено, что оптимальными параметрами обладают токамаки — установки, в которых рабочая камера имеет форму баранки. Именно на токамаках удалось наиболее близко подойти к требуемым параметрам термоядерной плазмы. Но здесь необходимо отметить небольшую особенность. Практически весь успех обеспечивается за счет увеличения их размеров. Дело в том, что теория токамаков гласит: время удержания плазмы прямо пропорционально напряженности магнитного поля и квадрату размера установки. Поскольку предел напряженности магнитного поля практически достигнут, остается единственный путь — увеличение размеров. За время существования токамаков их диаметр вырос с 2 до 20 метров. Токамак со вспомогательным оборудованием — это целое предприятие стоимостью сотни миллионов и даже миллиарды долларов. Строительство очередного токамака занимает несколько лет, и после ряда экспериментов на нем следует вывод: требуется установка еще больших размеров. В настоящее время осуществляется международный проект ITER стоимостью более 10 миллиардов долларов. Однако есть сильные сомнения в том, что и это исполинское сооружение сможет дать положительный выход энергии (см. «Наука и жизнь» № 12, 1999 г.).

Мы подошли к очень важной особенности работ по управляемому термоядерному синтезу. Любой проект, независимо от предлагаемого способа удержания плазмы, сегодня оценивается в миллиарды долларов. Установки небольших размеров и меньшей стоимости уже давно себя исчерпали. Во всем мире над проблемой синтеза работают почти 100 тысяч человек, поиском решения занимаются крупнейшие ученые, опытные инженеры и конструкторы. Говорить о том, что в ходе решения были допущены какие-то ошибки, нет абсолютно никаких оснований. И в результате многолетних исследований вся эта армия ученых приходит к однозначному выводу: решение проблемы управляемого синтеза возможно только путем увеличения размеров установок при астрономических затратах на их построение.

Можно привести весьма любопытный пример вполне реального проекта решения задачи. Предлагается огромный, объемом несколько кубических километров, стальной котел наполовину заполнить водой и греть ее взрывами термоядерных зарядов. Автор не берет на себя смелость оценивать целесообразность и экологические последствия реализации подобного проекта. Просто данный пример достаточно наглядно показывает масштабы поисков альтернативных способов использования термоядерной энергии.

В настоящее время взгляды на управляемый термоядерный синтез весьма противоречивы. С одной стороны, он практически не имеет равнозначной альтернативы, на решение проблемы уже затрачены огромные средства, и отступать нельзя. С другой — каждый новый шаг дается путем все больших и больших затрат. Многим странам пришлось отказаться от продолжения исследований ввиду их чрезвычайной дороговизны. Даже самые горячие оптимисты ожидают, что задача может быть решена не раньше середины следующего столетия. Но к тому времени на Земле будут сожжены почти все запасы нефти и газа и, следовательно, человечество ожидает жесточайший сырьевой кризис. А если решение все же не будет найдено.

Но действительно ли перспективы столь мрачны и человечеству, чтобы избежать их, необходимо идти на баснословные затраты. Может быть, есть более дешевое и доступное решение?

Такой путь есть. И природа уже неоднократно его подсказывала. Еще на заре термоядерных исследований был обнаружен так называемый «пинч-эффект» — сжатие плазменного столба магнитным полем тока разряда. Эффект вызывал выброс нейтронов, служащий признаком реакции синтеза. Было много восторгов, ожидалось быстрое решение проблемы синтеза. Очень эмоционально этот момент обыгран в известном фильме того времени «Девять дней одного года». Но восторги быстро сменились разочарованием: выяснилось, что источником нейтронного выброса была не реакция по всему объему столба плазмы, а небольшие группы быстрых дейтронов (ядер дейтерия). При ускорении электрическими полями, возникающими в плазме при сильных неустойчивостях, дейтроны получали энергию, существенно превышавшую энергию остальных частиц плазмы, и вступали в реакцию синтеза с выходом нейтронов. Такой «отрыв от коллектива» физикам очень не понравился, полученные нейтроны были названы «ложными», и от этого направления поисков отказались. Но ведь реакция синтеза шла!

Еще пример из недавнего прошлого. Многим хорошо запомнилось сенсационное сообщение о «холодном термояде». Однако достаточно быстро выяснилось, что обнаруженный М. Флейшманом и С. Понсом и независимо от них С. Джоунсом эффект очень слаб и не может быть использован для получения энергии (см. «Наука и жизнь» № 6, 1989 г. и № 3, 1990 г.). Наиболее вероятное объяснение обнаруженного эффекта — так называемая «ускорительная модель»: реакция синтеза происходит в результате ускорения дейтронов сильным электрическим полем, возникающим при растрескивании палладия. Опять ускоренные дейтроны!

Обратимся к истории физики. Каким образом была проведена первая реакция ядерного синтеза (Э. Резерфорд, 1919 г.)? Путем бомбардировки ядер азота быстрыми ?-частицами. Каким образом получают ядра трансурановых элементов? Бомбардировкой ядер известных элементов ускоренными частицами.

Путь проведения ядерных реакций на ускорителях совершенно естественен и ни у кого не вызывает сомнений. Уровень энергий ускоренных протонов измеряется уже сотнями гигаэлектронвольт. Для такой техники реакция синтеза дейтерий — тритий или дейтерий — дейтерий с энергией кулоновского барьера 10 кэВ никакой сложности не представляет. Тем не менее возможность осуществления реакции ядерного синтеза путем использования столкновений ускоренных ядер дейтерия и трития до сих пор не исследовалась. И для этого есть весьма существенные основания.

Дело в том, что главная цель термоядерных исследований — получение интенсивной реакции с выделением большого количества энергии, а в ускорителях ядерные реакции происходят практически поштучно. Здесь главное не количество актов реакции, а сам факт ее прохождения. Малая интенсивность ядерных реакций в ускорителях определяется тем, что количество частиц в ускоряемом пучке сравнительно невелико и соответственно их концентрация мала. Конечно, прямое использование современной ускорительной техники для решения проблемы управляемого синтеза бессмысленно. Для нее задача повышения концентрации частиц в пучке ставится, но не как основная; здесь главная задача — достичь максимальной энергии частиц.

А если попытаться сформулировать задачу несколько иначе? Разработать и создать ускоритель на встречных пучках на энергию ускоряемых ионов дейтерия и трития (дейтронов, тритонов) в несколько сот килоэлектронвольт, когда реакция синтеза уже наверняка пойдет, и при плотности частиц в пучке 1014 см-3, когда ее интенсивность будет достаточно велика для практического использования. При современном развитии науки и техники такая задача может быть достаточно быстро решена на ускорителе небольших размеров. Как показывают расчеты, для получения требуемой плотности ионов величина тока в ускорителе должна составлять несколько десятков ампер. Существующие сегодня сильноточные ускорители ионов позволяют получать токи до 106 А при энергии ионов до 106 эВ. Остается задача удержания пучков с такими параметрами. Но и эта задача имеет решение. В современных ускорителях на встречных пучках время удержания измеряется часами! Можно также попытаться построить реактор, в котором столкновения пучков будут носить импульсно-периодический характер. Само столкновение пучков в этом случае будет иметь длительность порядка 10-7— 10-8 секунды, и «удерживать» их потребуется только в течение этого времени. Столкновения могут повторяться с частотой 107— 108 Гц, что будет означать практически непрерывное горение реакции.

Схема установки для термоядерного синтеза в коллайдере. Коллайдер представляет собой пару ускорителей, разгоняющих пучки ионов навстречу друг другу. При столкновении пучков происходит реакция с появлением новых частиц и выделением энергии. Если в ускорителях разогнать ионы дейтерия (D) и трития (Т), то при их взаимодействии пойдет реакция синтеза с образованием a-частиц — ядер гелия-4 (4Не), нейтронов (п) и энергии: D + Т ® 4Не + п + 17,6 МэВ на один акт взаимодействия. Выделяющееся в камере коллайдера тепло можно использовать традиционным способом — для испарения рабочего тела (например, воды) с получением пара высокого давления.

Важнейшее отличие метода встречных пучков от магнитного удержания в том, что размер ускорителя не играет принципиальной роли для достижения условий синтеза. Минимальный размер экспериментальной установки будет определяться только размерами источника ионов с требуемой энергией. А они невелики: источник ионов на несколько сот килоэлектронвольт, применяемый в промышленности (например, для ионной имплантации полупроводников), занимает площадь не более 10 м2 и стоит несколько тысяч долларов. В «нулевом» эксперименте по ядерному синтезу размеры коллайдера (объема, где сталкиваются пучки) могут быть очень малы. Например, при его длине 2 см и диаметре 0,4 см ожидается выделение 25 Вт тепла, то есть удельная мощность установки оказывается 108 Вт/м3 (примерно как у двигателя внутреннего сгорания). Достижение таких параметров и будет означать физическое решение проблемы управляемого термоядерного синтеза. Получение требуемых мощностей — вопрос уже чисто технический. Рабочий объем реактора, скажем, может содержать необходимое количество коллайдеров —«термоядерных ТВЭЛов», тепловыделяющих элементов.

Подобные предложения неоднократно высказывались в научной литературе, однако до исследований, к сожалению, дело так и не дошло. Между тем они предполагают простую экспериментальную проверку, причем на небольшом и недорогом лабораторном стенде. Многие физико-технические проблемы такого эксперимента уже решены. Оценки показывают, что затраты на проведение работ будут в 10—20 тысяч раз меньше, чем на любые другие исследования в этой области. А в случае удачи открывается возможность несравненно более простого решения проблемы управляемого термоядерного синтеза, чем это обещают все те направления, которые разрабатываются в настоящее время.

Читайте в любое время

Детальное описание иллюстрации

Что такое термоядерный синтез и почему его так сложно запустить?

Пятьсот лет назад ацтеки, проживавшие на территории современной Мексики, верили, что солнечная энергия иссякнет без крови от человеческих жертвоприношений. Сегодня мы знаем, что Солнце, а также все другие звезды вырабатывают энергию за счет реакции, называемой термоядерным синтезом. Если термоядерный синтез удастся воспроизвести на Земле, то будет получено практически безграничное количество чистой, безопасной и доступной энергии для удовлетворения мирового спроса.

Как именно происходит термоядерный синтез? Вкратце термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро с высвобождением огромного количества энергии. Термоядерные реакции происходят в материи, находящейся в состоянии плазмы — горячего заряженного газа, состоящего из положительных ионов и свободно движущихся электронов и обладающего уникальными свойствами, отличными от твердых тел, жидкостей и газов.

При слиянии на Солнце ядра сталкиваются друг с другом при очень высокой температуре, превышающей десять миллионов градусов Цельсия, что необходимо для преодоления взаимного электрического отталкивания. Как только ядра преодолевают это отталкивание и оказываются на очень близком расстоянии друг от друга, ядерная сила притяжения между ними перевешивает электрическое отталкивание и позволяет им слиться. Чтобы это произошло, ядра должны находиться в замкнутом пространстве, что увеличивает вероятность их столкновения. На Солнце условия для термоядерного синтеза создаются в результате колоссального давления, создаваемого его огромной гравитацией.

Количество энергии, выделяемой при термоядерном синтезе, очень велико — в четыре раза больше, чем при реакциях деления ядер. На термоядерных реакциях может быть основана работа будущих термоядерных энергетических реакторов. Согласно планам в термоядерных реакторах первого поколения будет использоваться смесь тяжелых изотопов водорода — дейтерия и трития. В теории с использованием всего нескольких граммов этих реагентов можно произвести один тераджоуль энергии, что приблизительно равно энергии, необходимой одному человеку в развитой стране в течение шестидесяти лет.

Путь к звездам

На Солнце термоядерный синтез естественным образом вызывается огромной гравитационной силой, однако без этой силы для протекания реакции необходима более высокая температура. На Земле для слияния дейтерия и трития нужна температура, превышающая 100 миллионов градусов Цельсия, и сильное давление, а также достаточно замкнутое пространство для удержания плазмы и обеспечения протекания термоядерной реакции в течение определенного времени для достижения чистого прироста энергии, когда количество произведенной термоядерной энергии больше, чем количество энергии, использованной для нагрева плазмы.

Хотя в настоящее время в ходе экспериментов регулярно достигаются условия, очень близкие к тем, которые требуются в термоядерном реакторе, необходимо улучшить показатели удержания и стабильности плазмы. Ученые и инженеры со всего мира продолжают испытывать новые материалы и разрабатывать новые технологии для получения термоядерной энергии.

Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы проводятся более чем в 50 странах, и в ходе многих экспериментов были успешно проведены термоядерные реакции, хотя чистый прирост энергии так и не был достигнут. Количество времени, необходимого для воссоздания процесса, происходящего на звездах, будет зависеть от мобилизации ресурсов в рамках глобального партнерства и сотрудничества.

История сотрудничества

С тех пор как в 1930‑е годы стало понятно, как работает термоядерный синтез, ученые не оставляют попыток воспроизвести и использовать его. Вначале эти попытки держались в секрете. Однако вскоре стало ясно, что такие сложные и дорогостоящие исследования можно проводить только на основе сотрудничества. На второй Международной конференции Организации Объединенных Наций по использованию атомной энергии в мирных целях, состоявшейся в 1958 году в Женеве, Швейцария, ученые поведали миру об исследованиях в области термоядерного синтеза.

МАГАТЭ всегда было в авангарде международных термоядерных исследований. В 1960 году МАГАТЭ начало издавать журнал «Ядерный синтез» в целях обмена информацией о соответствующих достижениях, и сегодня он считается ведущим периодическим изданием в этой области. Первая международная Конференция МАГАТЭ по энергии термоядерного синтеза состоялась в 1961 году, и с 1974 года МАГАТЭ проводит такую конференцию каждые два года, чтобы стимулировать обсуждение событий и достижений в этой сфере.

В 2007 году по итогам длившихся два десятилетия переговоров относительно конструкции и местонахождения крупнейшей в мире международной термоядерной установки во Франции началось строительство ИТЭР, чтобы продемонстрировать научную и техническую возможность выработки термоядерной энергии. Депозитарием Соглашения ИТЭР является Генеральный директор МАГАТЭ. После ИТЭР планируется создание демонстрационных термоядерных энергетических установок (DEMO), призванных показать, что управляемый термоядерный синтез может генерировать нетто-электроэнергию. МАГАТЭ проводит семинары-практикумы по DEMO для облегчения сотрудничества в определении и координации регулярной деятельности по программе DEMO во всем мире.

Ожидается, что термоядерный синтез сможет удовлетворять энергетические потребности человечества в течение миллионов лет. Термоядерное топливо имеется в избытке, и его легко получить: дейтерий можно с небольшими затратами добывать из морской воды, а тритий можно производить из широко распространенного в природе лития. Термоядерные реакторы не будут вырабатывать высокоактивные долгоживущие ядерные отходы, а аварии с расплавлением активной зоны термоядерного реактора практически невозможны.

Важно отметить, что в результате термоядерного синтеза в атмосферу не выбрасывается углекислый газ и другие парниковые газы. Вместе с АЭС, работа которых основана на принципе деления ядер и которые также являются низкоуглеродным источником энергии, в будущем термоядерные электростанции смогут внести вклад в смягчение последствий изменения климата.

Термоядерная энергия — свободная энергия будущего

Создать вечный источник энергии на земле. Звучит утопично? А вот и нет. Термоядерный синтез позволит получить так называемую свободную энергию буквально из воды, при этом отходами производства будут абсолютно безопасные водород и гелий. И этот процесс не является изобретением человека. Вселенная активно и повсеместно использует термоядерные реакторы. Ближайший к нам — Солнце.

Основная проблема в том, что ученым до сих пор не удавалось создать такой реактор термоядерного синтеза, чтобы количество энергии, выделяемое в результате реакции, было больше того количества, которое требуется, собственно, для осуществления самой реакции.

Из учебников физики: что же такое термоядерный синтез?

Прежде чем перейти к основной части нашего материала и разобраться, почему вокруг термоядерного синтеза столько разговоров, давайте вспомним уроки физики за одиннадцатый класс, но если вспоминать ничего (и такое бывает), то читаем дальше.

Мы уже знаем, как с помощью контролируемой ядерной реакции человечество получает энергию. Ядерные реакторы, которые сейчас эксплуатируются, используют процесс расщепления атомов, во время которого ядра атомов делятся на 2-3 ядра с меньшими массами. Термоядерный синтез же наоборот предполагает не разделение, а объединение атомов. Проще говоря, это получение тяжелых атомных ядер из более легких.

Как это происходит? Атомные ядра состоят из двух типов нуклонов — протонов и нейтронов. Их удерживает вместе так называемое сильное взаимодействие. При этом энергия связи каждого нуклона с другими зависит от общего числа нуклонов в ядре. В легких ядрах с увеличением числа нуклонов энергия связи возрастает, а в тяжелых — падает.

Если добавлять нуклоны в легкие ядра или удалять нуклоны из тяжелых атомов, эта разница в энергии связи будет выделяться в виде разницы между затратами на осуществление реакции и кинетической энергией высвобождающихся частиц. Изменение состава ядра называется ядерным превращениям или ядерной реакцией. Ядерная реакция с увеличением количества нуклонов в ядре называется термоядерной реакцией или ядерным синтезом. В основе процесса управляемого термоядерного синтеза лежит синтез атомных ядер из более легких в более тяжелые с выделением энергии.

Схема термоядерного синтеза для дейтерия и трития

Протоны в ядре имеют электрический заряд, а значит, испытывают кулоновское отталкивание. В ядре это отталкивание компенсируется сильным взаимодействием, что удерживает нуклоны вместе. Но сильное взаимодействие имеет радиус действия намного меньше кулоновского отталкивания. Поэтому для слияния двух ядер в одно нужно сначала их сблизить, преодолевая кулоновское отталкивание.

Известно несколько таких способов: в недрах звезд — гравитационные силы, в ускорителях — кинетическая энергия разогнанных ядер или элементарных частиц, в термоядерных реакторах и термоядерном оружии — энергия теплового движения ядер атомов.

Немного истории

Как мы упомянули в начале, термоядерный синтез — это не изобретение человека. В 1934 году, наблюдая за звездным небом, американский физик советского происхождения Георгий Гамов выдвинул гипотезу, что звезды горят благодаря ядерным реакциям, которые в них происходят. Его предположение четыре года развил американец Ханс Бете. В центре Солнца, считал Бете, ядра водорода сталкиваются, превращаясь в изотопы, а затем и в другие элементы. Разница их массовых чисел и зажигает светило.

В 40-х годах XX века один из участников «Манхэттенского проекта» (речь идет о разработке ядерного оружия) предложил коллегам подумать о бомбе не распада, а синтеза, то есть о водородной. Математик Станислав Улам описал возможный алгоритм термоядерного синтеза и начались практические опыты. В 1951 году, через шесть лет после применения ядерного оружия США провели предварительное, а через год — полномасштабное испытание термоядерного заряда. Топливом для него служили жидкие изотопы водорода, которые затем, ради увеличения мощности, заменили смесь дейтерида лития 40% дейтерида лития-6 и 60% дейтерида лития-7.

Идею о применении термоядерного синтеза в промышленных целях выдвинул советский физик Олег Лаврентьев. Вскоре, одновременно с американцами, Игорь Тамм и Андрей Сахаров доработали концепцию Лаврентьева, предложив закольцевать движение плазмы в медном «бублике» и изолировать ее магнитными ловушками. Так появилась идея токамака, который был построен в 1954 году.

Кстати, первый в мире образец термоядерного реактора — стелларатор, был построен ранее советского, астрофизиком Лайман Спитцер в 1951 году в рамках секретного проекта «Маттерхорн». Однако, именно технология токамака сейчас считается наиболее развитой, ведь по ней накоплено больше знаний. Поэтому именно она была избрана в основу проекта International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), но об этом чуть позже.

Формально стеллараторы считаются более прогрессивными, чем токамаки. Для этого есть несколько причин. Во-первых, в стеллараторах плазму нагревают и содержат только внешние токи и катушки. В токамаках разжигание происходит за счет электрического тока, протекающего в плазме и одновременно создающего дополнительное магнитное поле.

Поэтому в «бублике» токамака появляются свободные электроны и ионы уже со своими магнитными полями, которые так и стремятся разрушить основное поле, сбить температуру и вообще все испортить. Во-вторых, камеры стеллараторов не просто «бублики», а «мятые бублики»: в отличие от токамаков, у них нет азимутальной симметрии. При этом катушки на «мятых бубликах» стеллараторов имеют винтообразную форму (на токамаках они прямые и параллельны друг другу) и «закручивают» силовые линии, то есть подвергают их вращательному преобразованию. Это тоже стабилизирует плазму и еще — отдаляет теоретический предел оптимального давления в камере. А чем выше давление, тем быстрее произойдет реакция.

Сравнение конструкции токамака (слева) та стеларратора (справа)

Солнце, но на Земле

На юге Франции, недалеко от городка Экс-ан-Прованс, 35 стран мира завершают историческое строительство под названием ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor — Международный термоядерный экспериментальный реактор. Кнопку, которая запустит в действие махину весом 23 тысяч тонн, обещают нажать через 5 лет.

Строительство же первого в мире термоядерного реактора продолжается более 30 лет. «Наша машина — как Солнце, но на Земле», — так описывают свое детище его создатели.

В ходе сооружения. Фото: ITER

ITER является первой в своем роде машиной и уникальным научным устройством. Это итоговый эксперимент, чтобы доказать, что технологии, материалы и знания человечества достаточны, чтобы сделать следующий шаг и построить термоядерную электростанцию.

Проект стартовал в ноябре 1985 года, когда на Женевском саммите генеральный секретарь СССР Михаил Горбачев предложил президенту США Рональду Рейгану идею совместного международного проекта по разработке термоядерной энергии в мирных целях. Год продолжались переговоры и было достигнуто соглашение. К проекту присоединились также Европейский союз (Евратом) и Япония.

Работы по концептуальному проектированию начались в 1988 году, после чего был долгий этап технического проектирования, пока в 2001 году страны-члены утвердили окончательный проект ITER. В 2003 году в проекту присоединились Китай и Республика Корея, затем — Индия.

Выбор места для строительства ITER был также длительной процедурой, которая завершилась в 2005 году. Как мы уже упоминали, в основе ITER — токамак, выбранна эта технология была исключительно из-за количества собранных о нем знаний. Существует множество технологий термоядерного синтеза, таких как стеллараторы (Wendelstein-7X), лазерный синтез (Laser Megajoule и National Ignition Facility), протон-борный синтез (Tri-Alpha energy) и др. Но научное сообщество считает, что концепция токамака — лучшая для достижения чистой энергии термоядерного синтеза.

Токамак в разрезе

Едва ли не самым важнейшим преимуществом термоядерного реактора является его безопасность. И как объясняют в ITER, в термоядерном реакторе неконтролируемая цепная реакция, которая приводит к расплавлению активной зоны, просто невозможна. Ведь очень трудно добиться реакции синтеза и сохранить ее. Но что бы ни случилось, в случае потери контроля над нагревом, охлаждением или подачей топлива, тепло внутри вакуумной камеры естественным образом угаснет.

Это почти так же, как газовая горелка гаснет, когда закручивают кран. Процесс ядерного синтеза безопасный по своей сути. Нет опасности утечки или взрыва. Предварительный отчет по безопасности ITER содержит анализ рисков и событий, которые могут привести к авариям на объекте. Во время нормальной работы радиологическое влияние ITER на уязвимые группы населения будет в тысячу раз меньше, чем естественное фоновое излучение. А при «худших сценариях», таких, как пожар на тритиевом заводе, эвакуация или другие защитные меры для населения на территорях, граничащих с производством, не понадобятся.

А сейчас несколько развеем миф о бесплатной энергии. Термоядерная энергия никогда такой не будет. Свободной ее называют потому что она чистая и безопаснадля будущих поколений.

ITER будет производить 500 мегаватт тепловой энергии. Такого количества достаточно, чтобы изучать горение плазмы, состояние, которого ранее на Земле никогда не удавалось добиться в контролируемой среде. Ожидается, что коммерческий термоядерный реактор будет в 10-15 раз мощнее. Например, термоядерная электростанция мощностью 2000 мегаватт сможет обеспечивать электроэнергией 2 миллиона домов.

Ученые прогнозируют, что промышленные термоядерные установки могут начать работу уже в 2040 году. Точные сроки будут зависеть от уровня общественного запроса и политической воли, которая проявляется в финансовых инвестициях, ведь удовольствие это не из дешевых. Начальная капитальная стоимость 2000 мегаваттной термоядерной станции — около 10 млрд долларов. Эти капитальные затраты компенсируются крайне низкими затратами на обслуживание, незначительными затратами на топливо и нечастыми расходами на замену компонентов в течение 60-летнего срока службы установки.

Отметим, что ITER является экспериментальной установкой, она не будет производить электричество. Всю энергию, которую произведет, будет преобразовано в пар и выпущено через градирни.

А Украина?

Исследование термоядерного синтеза в Украине осуществляются в КНУ им. Т. Шевченко, Институте физики (г. Киев) и ННЦ ХФТИ (г. Харьков), а также в некоторых негосударственных лабораториях. Хотя Украина не является членом международного проекта ITER, наши физики также принимают в нем участие путем сотрудничества с европейскими коллегами. Такое сотрудничество стало возможным благодаря тому, что с 2017 года Украина является полноправным членом Европейского физического сообщества по термоядерных исследованиях.

В одном из своих интервью украинский физик, президент НАН Украины Анатолий Загородный сказал о ITER следующее: «Среди широкого круга задач на передний план с увеличением мощности реактора выходит проблема повышения прочности внутренней стенки реактора, контактирующей с густой и горячей плазмой, и украинские физики ведут активные исследования в этом направлении.

Другими задачами, над которыми работают наши ученые, является совершенствование диагностик и разработка теоретических моделей плазменных процессов. Построение промышленного термоядерного реактора оказалась гораздо сложнее, чем это казалось сначала. Однако преодолена большая часть пути, и этот проект приблизит нас к новому мощному и экологичному источнику энергии».

При подготовке материала были использованы официальные материалы ITER.

Почему при термоядерной реакции выделяется энергия