Альтернативна енергетика розвивається стрімкими темпами. Відомо, що традиційні джерела енергії невпинно вичерпуються, та й екологічний стан планети залишає бажати кращого. Керований термоядерний синтез дозволяє в перспективі отримувати енергію буквально з води, причому відходами його роботи будуть тільки звичайні нешкідливі водень та гелій. Тож, чи стане термоядерна енергетика надією людства?

Історія дослідження термоядерного синтезу

У 1934 році американський фізик радянського походження Георгій Гамов, розглядаючи зірки, зацікавився питанням: що робить їх гарячими мільйони років? На тлі недавнього відкриття нуклонів і загального підйому ядерної думки він закономірно розсудив, що справа в ядерних реакціях. Гіпотезу Гамова через чотири роки розвинув американець Ханс Бете. У центрі Сонця, вважав Бете, ядра водню зіштовхуються, перетворюючись в ізотопи, а потім і в інші елементи. Різниця їх масових чисел і запалює світило.

У 1941 році американець італійського походження, один з двох «батьків» ланцюгової ядерної реакції Енріко Фермі запропонував колегам по Манхеттенському проекту подумати над бомбою не розпаду, тобто атомною, а синтезу, тобто водневою. Математик Станіслав Улам описав можливий алгоритм термоядерного синтезу і дослідження вийшли в практичне русло. І в 1951 році, через шість років після випробувань ядерного, США провели попереднє і через рік – повномасштабне випробування термоядерного заряду. Паливом для нього служили рідкі ізотопи водню, які потім, заради збільшення потужності, замінили на твердотільний дейтерид літію -6 і -7.

В СРСР в 1950-му фізик-самоучка Олег Лаврентьєв висловився на користь промислового термоядерного синтезу. Через кілька місяців, одночасно з американцями, Ігор Тамм і Андрій Сахаров додумали концепцію Лаврентьєва, запропонувавши закільцювати рух плазми в мідному «бублику» і ізолювати її магнітними пастками. У тому ж, 1951-му, році астрофізик Лайман Спітцер побудував перший в світі зразок термоядерного реактора – стелларатор.

В СРСР свій термоядерний реактор з’явився тільки в 1954 році, і це був токамак.

Фізика процесу

Атомні ядра складаються з двох типів нуклонів – протонів і нейтронів. Їх утримує разом так звана сильна взаємодія. При цьому енергія зв’язку кожного нуклона з іншими залежить від загальної кількості нуклонів в ядрі. У легких ядер зі збільшенням кількості нуклонів енергія зв’язку зростає, а у важких падає. Якщо додавати нуклони в легкі ядра або видаляти нуклони з важких атомів, то ця різниця в енергії зв’язку буде виділятися у вигляді різниці між витратами на здійснення реакції і кінетичної енергією частинок, що вивільняються.

Зміна складу ядра називається ядерним перетворенням або ядерною реакцією. Ядерна реакція зі збільшенням кількості нуклонів в ядрі називається термоядерної реакцією або ядерним синтезом. В основі процесу керованого термоядерного синтезу лежить синтез атомних ядер з легших в більш важкі з виділенням енергії.

Протони в ядрі мають електричний заряд, а значить, відчувають кулонівське відштовхування. В ядрі це відштовхування компенсується сильною взаємодією, що утримує нуклони разом. Але сильна взаємодія має радіус дії набагато менший кулонівського відштовхування. Тому для злиття двох ядер в одне потрібно спочатку їх зблизити, долаючи кулонівське відштовхування. Відомо кілька таких способів. У надрах зірок це гравітаційні сили. У прискорювачах – кінетична енергія розігнаних ядер або елементарних частинок. В термоядерних реакторах і термоядерній зброї – енергія теплового руху ядер атомів.

У наш час гравітаційні сили не підконтрольні людині. Прискорення частинок настільки енергозатратне, що не має жодних шансів на позитивний енергобаланс. І тільки тепловий метод виглядає придатним для керованого синтезу з позитивним виходом енергії.

Значення керованого термоядерного синтезу для енергетики

Енергія синтезу розглядається багатьма дослідниками як «природне» джерело енергії в довгостроковій перспективі. Розвиток технології термоядерного синтезу може стати ключовим фактором створення практично невичерпного джерела енергії, адже запаси палива – водню – є безмежними. Паливо можна добувати з морської води на будь-якому узбережжі світу, що унеможливлює монополізацію паливних ресурсів однієї або групою країн.

Термоядерний реактор набагато безпечніший ядерного реактора в радіаційному відношенні. Перш за все, кількість радіоактивних речовин, що знаходяться в ньому,  порівняно невелика. Енергія, яка може виділитися в результаті якої-небудь аварії, теж мала і не може привести до руйнування реактора. При цьому в конструкції реактора є кілька природних бар’єрів, що перешкоджають поширенню радіоактивних речовин.

Також при термоядерному синтезі присутня мінімальна ймовірність аварійного вибухового збільшення потужності реакції і відсутні продукти згоряння.

Істотні перешкоди між сьогоднішнім розумінням процесів ядерного синтезу, технологічними можливостями і практичним використанням ядерного синтезу досі не подолані. Незрозумілим є навіть те, наскільки може бути рентабельним виробництво електроенергії з використанням термоядерного синтезу.

Хоча спостерігається постійний прогрес в дослідженнях, дослідники раз у раз стикаються з новими проблемами. Наприклад, проблемою є розробка матеріалу, здатного витримати нейтронне бомбардування, яке, за словами вчених, повинно бути в 100 разів інтенсивніше, ніж в традиційних ядерних реакторах. Допомогти у вивченні ядерного синтезу має Міжнародний термоядерний експериментальний реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). На цьому реакторі планується проводити дослідження поведінки високотемпературної плазми.

Додайте відповідь

Please enter your comment!
Please enter your name here