Управляемый термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез.

     Энергия, заставляющая светиться Солнце и  звезды, выделяется в термоядерных реакциях, которые протекают в  их недрах. Возможность использовать эту энергию на Земле первое время  казалась фантастикой — ведь для  ее получения требуется температура  во многие миллионы градусов. Все изменилось с появлением водородной бомбы. Встал  вопрос: можно ли применить столь  могучий источник энергии в мирных целях? Это оказалось очень нелегко  — больше полувека понадобилось физикам, чтобы начать строительство первого  в мире термоядерного реактора с  положительным выходом энергии. Если все пойдет успешно, то к середине века в наши дома придет наконец  чистая «звездная» энергия.

     Реакции термоядерного синтеза были открыты  более 70 лет назад. В 1934 году Георгий  Гамов высказал мысль, что протекающие  при высокой температуре ядерные  реакции могут быть источником энергии, способным в течение миллиардов лет поддерживать звезды в горячем  состоянии. Детальную теорию ядерных  реакций в звездах развил Ханс Бете в 1938 году. В этих реакциях из ядер водорода синтезируются более сложные ядра других элементов — гелия, лития, бора, углерода. А поскольку их образование происходит при высокой температуре, эти реакции называют термоядерным синтезом.

     В центре Солнца из ядер обычного водорода сначала образуется его тяжелый  изотоп дейтерий, из которого в ходе серии дальнейших реакций рождается  гелий. Масса ядра гелия на 0,7% меньше массы ядер водорода, из которых  оно образовалось. По формуле Эйнштейна Е = mc2 эта разница в массе превращается в энергию. Вот эту энергию мы и получаем от Солнца в виде света и тепла.

     Но  процесс синтеза идет очень медленно. Особенно первый его этап, когда  два ядра водорода сливаются в  ядро дейтерия. Характерное время  этой реакции исчисляется миллиардами  лет. Поэтому удельная мощность термоядерных реакций в центре Солнца, как ни странно, совсем невелика — около 200 Вт/м3. Примерно в таком же темпе  выделяется энергия в теле человека. Лишь за счет гигантских размеров солнечный  термоядерный реактор производит поток  энергии, достаточный для поддержания  жизни на нашей планете.

     Для земной энергетики мощности 200 Вт/м3, конечно, абсолютно недостаточно. К счастью, можно обойтись без самой медленной  реакции — синтеза дейтерия, поскольку  он существует на Земле в готовом  виде. По одному его ядру приходится на 6700 ядер водорода. В каждом кубометре  воды содержится 110 кг водорода и 33 г  дейтерия. Казалось бы, немного, но если этот дейтерий сжечь в термоядерных реакциях, выделится столько же энергии, как при сгорании 200 т бензина. Так что запасы термоядерного топлива на Земле легко доступны и неисчерпаемы.

     Условия синтеза.

     Для получения энергии на основе управляемого термоядерного синтеза нужно  выполнить три условия. Во-первых, требуется чрезвычайно высокая  температура. В центре Солнца она  составляет около 15 миллионов градусов. На Земле, чтобы увеличить мощность термоядерных реакций до практически полезного уровня — хотя бы до 1000 Вт/м3 — температуру нужно поднять до сотен миллионов градусов. Это и есть первое и главное условие управляемого термоядерного синтеза.  

     Во-вторых, в реакции должно участвовать  достаточно много частиц — выход  энергии растет как квадрат плотности  топлива. Но вместе с температурой и  плотностью увеличивается давление, и удерживать горячую плазму от расширения становится все труднее. Отсюда третье основное условие: время ее удержания  должно быть достаточным, чтобы выделившаяся в ходе реакции энергия превысила  затраты на нагрев и удержание  плазмы.

     Из  всех термоядерных процессов самые  скромные требования к температуре  у реакции дейтерия (D) с тритием (T) — «всего лишь» 100 миллионов градусов.

     Итак, нам нужны дейтерий и тритий. Дейтерий можно добывать из воды, а вот с тритием проблема — он неустойчив, и период его полураспада составляет всего лишь 12 лет. Поэтому на Земле трития практически нет, и его придется создавать искусственно, облучая нейтронами литий. Это можно делать прямо в стенках реактора за счет нейтронов, выделяющихся в процессе термоядерного синтеза. Разведанных запасов лития на суше около 11 миллионов тонн — достаточно, чтобы 3000 лет поддерживать современный уровень производства энергии на Земле. Конечно, литий нужен и для других целей, но при необходимости его можно извлекать из морской воды — там его запасы в 20 000 раз больше. Так что проблем с обеспечением термоядерной энергетики топливом в обозримой перспективе не будет.

     Проблема  с нейтронами.

     Однако, помогая получать тритий, нейтроны одновременно создают ряд технических  проблем. Во-первых, они вызывают в  стенках реактора наведенную радиоактивность. И хотя она в сотни раз меньше, чем в продуктах деления урана  на обычных АЭС, требуется тщательно  подбирать состав материалов для  камеры реактора и контролировать содержание в них примесей, чтобы избежать рождения опасных медленно распадающихся  радиоактивных ядер.

     Кроме того, нейтронное облучение снижает  прочность конструкционных материалов. Энергичные нейтроны выбивают атомы  из кристаллической решетки и  образуют в твердом теле множество  микроскопических каналов. Материал становится рыхлым. Прочность его резко падает. Так что стенки реактора, подверженные облучению нейтронами, придется периодически заменять. Делать это должны специально сконструированные роботы.

     Избавиться  от нейтронов и связанных с  ними проблем позволяют другие термоядерные реакции. Например, если вместо трития использовать легкий изотоп гелия (3He) то ни среди исходных веществ, ни среди  продуктов реакции не будет ничего радиоактивного.

     Возможно, в будущем именно эта реакция  станет основой термоядерной энергетики. Но для нее нужна почти в 10 раз более высокая температура, которой пока еще никто не достиг. К тому же гелия-3 на Земле практически нет — считанные килограммы в год выделяются из природного газа некоторых месторождений.

     Из  трех ключевых параметров термоядерного  синтеза — температуры, плотности  и времени удержания плазмы —  один, температура, фактически задается выбранной реакцией. А вот соотношение  двух других можно варьировать. Соответственно есть два основных пути: либо выбрать  относительно низкую плотность топлива  и продолжительное время удержания, либо, наоборот, максимально возможную  плотность при очень небольшой  продолжительности реакции.

     На  первом пути наибольших успехов удалось  добиться, изолируя горячую плазму от контакта с холодными стенками реактора с помощью магнитного поля. Это технология магнитного удержания. Она основана на способности магнитного поля оказывать давление на плазму и снижать ее теплопроводность. Современные сверхпроводящие электромагниты могут поддерживать в большом объеме магнитное поле напряженностью 5—6 тесла, создающее давление около 100 атмосфер.

     Второй  подход реализован пока только в термоядерной бомбе. Топливо здесь имеет плотность  твердого тела, а то и еще выше — за счет сжатия при срабатывании запала в виде атомной бомбы. Давление такой плазмы составляет миллионы атмосфер, и противостоять ему, конечно, невозможно. Но выиграть какое-то время позволяют  силы инерции — даже при огромном давлении расширение вещества не может  произойти мгновенно. Такой способ удержания называют инерционным, поскольку  кроме инерции плазму ничто не удерживает.

     Использование магнитного удержания плазмы выглядит более перспективным подходом к  термоядерному синтезу. Главным  препятствием на этом пути были различные  неустойчивости. Плазма легко перетекает из области с сильным магнитным  полем туда, где оно слабее. Ее давление в этом месте возрастает, вдобавок в ней возбуждается электрический  ток, способный временно ослабить магнитное  поле. В результате плазма может  неожиданно вырваться из области  удержания.

     Наиболее  успешным способом удержания оказались  тороидальные магнитные ловушки. Если плазму замкнуть в кольцо, придав ей форму бублика (тора), и наложить вдоль тора магнитное поле, оно будет препятствовать движению плазмы поперек силовых линий. Вдоль силовых линий частицы плазмы могут перемещаться свободно, но при этом они все время остаются внутри ловушки, не сталкиваясь со стенками.

     Правда, и тут все оказалось непросто. Магнитному полю в тороидальной ловушке надо придавать сложную винтообразную конфигурацию. Решая эту проблему, американские и советские ученые пошли разными путями. Лайман Спитцер в США предложил использовать специальные винтовые обмотки. Спитцер назвал свое изобретение стелларатором — что-то вроде «звездного тора».

     В СССР для создания винтового поля в тороидальной камере решили пустить электрический ток прямо по плазме — она проводит электричество ничуть не хуже меди. Идея оказалась настолько успешной, что название установки токамак, образованное от слов «ток», «камера» и «магнитное поле», теперь известно всему миру.