Альтернативная энергетика развивается стремительными темпами. Известно, что традиционные источники энергии неумолимо иссякают, да и экологическое состояние планеты оставляет желать лучшего. Управляемый термоядерный синтез позволяет в перспективе получать энергию буквально из воды, причем отходами его работы будут являться только обычные безвредные водород и гелий. Поэтому, станет термоядерная энергетика надеждой человечества?
История исследования термоядерного синтеза
В 1934 году американский физик советского происхождения Георгий Гамов, рассматривая звезды, заинтересовался вопросом: что делает их горячими миллионы лет? На фоне недавнего открытия нуклонов и общего подъема ядерной мнения он закономерно рассудил, дело в ядерных реакциях. Гипотезу Гамова через четыре года развил американец Ханс Бете. В центре Солнца, считал Бете, ядра водорода сталкиваются, превращаясь в изотопы, а потом и в другие элементы. Разница их массовых чисел и зажигает светило.
В 1941 году американец итальянского происхождения, один из двух «отцов» цепной ядерной реакции Энрико Ферми предложил коллегам по Манхэттенском проекта подумать над бомбой не распада, то есть атомной, а синтеза, то есть водородной. Математик Станислав Улам описал возможный алгоритм термоядерного синтеза и исследования вышли в практическое русло. И в 1951 году, через шесть лет после испытаний ядерного, США провели предварительное и за год – полномасштабное испытание термоядерного заряда. Топливом для него служили жидкие изотопы водорода, которые потом, ради увеличения мощности, заменили на твердотельный дейтерид лития -6 и -7.
В СССР в 1950-м физик-самоучка Олег Лаврентьев высказался в пользу промышленного термоядерного синтеза. Через несколько месяцев, одновременно с американцами, Игорь Тамм и Андрей Сахаров додумали концепцию Лаврентьева, предложив закольцевать движение плазмы в медном «баранке» и изолировать ее магнитными ловушками. В том же, 1951-м, году астрофизик Лайман Спитцер построил первый в мире образец термоядерного реактора – стелларатор.
В СССР свой термоядерный реактор с’явился только в 1954 году, и это был токамак.
Физика процесса
Атомные ядра состоят из двух типов нуклонов – протонов и нейтронов. Их удерживает вместе так называемое сильное взаимодействие. При этом энергия зв’язку каждого нуклона с другими зависит от общего числа нуклонов в ядре. У легких ядер с увеличением числа нуклонов энергия связи’язку растет, а в тяжелых падает. Если добавлять нуклоны в легкие ядра или удалять нуклоны из тяжелых атомов, эта разница в энергии связи’язку будет выделяться в виде разницы между затратами на осуществление реакции и кинетической энергией частиц, высвобождаемых.
Изменение состава ядра называется ядерным превращением 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.
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 меньший 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 термоядерній оружия – энергия теплового движения ядер атомов.
В наше время гравитационные силы не подконтрольные человеку. Ускорение частиц настолько энергозатратно, что не имеет никаких шансов на положительный энергобаланс. И только тепловой метод выглядит пригодным для управляемого синтеза с положительным выходом энергии.
Значение управляемого термоядерного синтеза для энергетики
Энергия синтеза рассматривается многими исследователями как «естественное» источника энергии в долгосрочной перспективе. Развитие технологии термоядерного синтеза может стать ключевым фактором создания практически неисчерпаемого источника энергии, ведь запасы топлива – водорода – являются безграничными. Топливо можно добывать из морской воды на любом побережье мира, что делает невозможным монополизацию топливных ресурсов одной или группой стран.
Термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего, количество радиоактивных веществ, находящиеся в нем, сравнительно небольшая. Энергия, которая может выделиться в результате какой-нибудь аварии, тоже мала и не может привести к разрушению реактора. При этом в конструкции реактора есть несколько естественных бар’еров, препятствующих распространению радиоактивных веществ.
Также при термоядерном синтезе присутствует минимальная вероятность аварийного взрывного увеличения мощности реакции и отсутствуют продукты сгорания.
Существенные препятствия между сегодняшним пониманием процессов ядерного синтеза, технологическими возможностями и практическим использованием ядерного синтеза до сих пор не преодолены. Неясным является даже то, насколько может быть рентабельным производство электроэнергии с использованием термоядерного синтеза.
Хотя наблюдается постоянный прогресс в исследованиях, исследователи то и дело сталкиваются с новыми проблемами. Например, проблемой является разработка материала, способного выдержать нейтронную бомбардировку, которое, по словам ученых, должно быть в 100 раз интенсивнее, чем в традиционных ядерных реакторах. Помочь в изучении ядерного синтеза имеет Международный термоядерный экспериментальный реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). На этом реакторе планируется проводить исследования поведения высокотемпературной плазмы.
