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.
