Термоядерный синтез: просто о сложном

В последнее время повысился интерес к термоядерному синтезу. Чем же он так интересен, и какие его особенности мешают нам получить практически нескончаемый источник энергии, вы узнаете прямо сейчас.

Для начала давайте дадим определение этому термину. Итак, термоядерная реакция – это процесс слияния лёгких ядер в более тяжёлые посредством кинетической энергии их теплового движения. Так как между атомными ядрами на малых расстояниях действуют ядерные силы притяжения, при сближении двух ядер возможно их слияние, т.е. синтез более тяжёлого ядра. Все атомные ядра имеют положительный электрический заряд и, следовательно, на больших расстояниях отталкиваются друг от друга. Для того, чтобы прошла ядерная реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть кулоновские силы электростатического отталкивания. Для этого они должны иметь большую кинетическую энергию.

Согласно теории, одной из форм кинетической энергии движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) является температура. Чем больше температура, тем, соответственно, больше энергия нагретых до неё частиц. Из этого следует, что, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции. Именно поэтому термоядерная реакция так названа.

С чем это сравнить?

Энергия, выделяющаяся в процессе термоядерных реакций в расчете на один нуклон, существенно превышает удельную энергию, выделяющуюся в процессе реакций деления тяжелых ядер. Так, при синтезе тяжелого водорода – дейтерия, с другим изотопом водорода – тритием, выделяется энергия около 3,5 МэВ на один нуклон (температура достигает 108 К). А в процессе деления ядер урана, выделяется примерно 0,85 МэВ энергии на один нуклон. Как было отмечено, уникальная особенность термоядерных реакций как источника энергии – очень большое энерговыделение на единицу массы реагирующих веществ – в 10 млн. раз больше, чем в химических реакциях. Например, энергия синтеза 1г изотопов эквивалентна сгоранию 10т бензина.

Как подчинить термоядерную реакцию?

В принципе мы умеем уже сегодня получать на Земле энергию термоядерного синтеза. Нагреть вещество до звёздных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба – самое страшное оружие современности, в которой взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву. Но не к такому неуправляемому синтезу, способному погубить всё живое на Земле, стремятся учёные. Они ищут способы осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Прежде всего, конечно, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могу происходить с заметной вероятностью. Но этого мало. Необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем затрачивается на нагрев вещества, или, что ещё лучше, чтобы рождающиеся при синтезе быстрые частицы сами поддерживали требуемую температуру горючего. Для этого нужно, чтобы вступающее в синтез вещество было надёжно изолировано от окружающей среды. Время, в течении которого можно удерживать термоядерный синтез называется временем удержания реакции. Для удержания вещества, его переводят в состояние плазмы используют сильные магниты для сжатия.

Физики придумали разные хитрости, предотвращающие уход частиц вдоль силовых линий. Можно, например, сделать «магнитные пробки» — области с более сильным магнитным полем, отражающее часть частиц, но лучше всего свернуть силовые линии в кольцо, использовав тороидальное магнитное поле. Но и одного тороидального магнитного поля, оказывается, недостаточно.

Тороидальное поле неоднородное в пространстве – его напряженность спадает по радиусу, а в неоднородном поле возникает медленное движение частиц — так называемый дрейф – поперек магнитного поля. Ликвидировать этот дрейф можно, пропустив через плазму ток вдоль обхода тора. Магнитное поле тока, складываясь с тороидальным внешним полем, сделает общее поле винтовым. Двигаясь по спиралям вдоль силовых линий, заряженные частицы будут переходить из верхней полуплоскости тора в нижнюю и обратно. При этом они будут всё время дрейфовать в одну сторону, например, вверх. Но, находясь в верхней полуплоскости и дрейфуя вверх, частицы уходят от средней плоскости тора, а находясь в нижней полуплоскости, частицы возвращаются к ней.

Термоядерные реакции в природе

В природе реакции синтеза происходят в очень горячем веществе, например, в недрах звёзд, в том числе в центре Солнца, где температура в 14 млн. градусов и энергия теплового движения некоторых самых быстрых частиц достаточна для преодоления электрического отталкивания. Но тут тоже не всё так просто. Все звёзды можно классифицировать по виду синтеза, происходящего в них. То есть, если в Солнце происходит преимущественно «сжигание» водорода, его лёгких изотопов, и гелия, то в больших и старых звёздах, исчерпавших всё своё водородное топливо, происходят реакции с более тяжёлыми элементами, такими как скандий, титан, ванадий. Однако существует предел этого синтеза. С увеличением размера ядер растёт энергия, необходимая для преодоления кулоновского барьера. Этим барьером является атом железа: когда звезда накапливает достаточное его количество, синтез в ней прекращается.