Управляемый термоядерный синтез

Содержание

Примечания

1. ↑
2. ↑
3. ↑
4. Rosgartenmuseum Konstanz (Hrsg.): «Die Zeppelins — Lebensgeschichten einer Adelsfamilie», Print+Medien Konstanz GmbH, Konstanz 2013, S.93ff, ISBN 978-3-929768-32-9
5. ↑ Rangliste der Königlich Preußischen Armee und des XIII. (Königlich Württembergischen) Armeekorps für 1914. Hrsg.: Kriegsministerium, Ernst Siegfried Mittler & Sohn, Berlin 1914, S. 1156.
6. K. Clausberg: Zeppelin: Die Geschichte eines unwahrscheinlichen Erfolges. Augsburg 1990, S. 169.
7. Peter Meyer: Luftschiffe. Die Geschichte der deutschen Zeppeline. Wehr&Wissen, Koblenz/Bonn 1980, ISBN 3-8033-0302-8, S. 24.

Мюонный катализ

Основная статья: Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов.

Мюоны µ−, вступая во взаимодействие с термоядерным топливом, образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов топлива несколько меньше, что облегчает их сближение и, кроме того, повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Число реакций синтеза X_c, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона. Экспериментально удалось получить значения X_c ~100, т. е. один мюон способен высвободить энергию ~ 100 × Х МэВ, где Х — энергетический выход катализируемой реакции.

Пока величина освобождаемой энергии меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии с использованием мюонного катализа возможно при X_c ~ 104.

Безопасна ли реакция термоядерного синтеза

Главным преимуществом реакции термоядерного синтеза, проходящей внутри токамака, является ее безопасность. Можно удивиться, как такое возможно при достижении таких высоких температур, но это действительно так.

Все из-за того, что плотность плазмы в миллион раз меньше плотности атмосферы. Благодаря такой особенности работы, взрыв из-за внутреннего давления просто невозможен. Да и если температура начнет падать, плазма просто будет, как говорят физики, ”осыпаться”. Плюс, топливо подается в течение всей реакции и для ее остановки достаточно просто прекратить его подачу. Например, атомную станцию просто выключить нельзя и я уже рассказывал, почему.

Единственной опасностью является только то, что изотоп трития обладает небольшой радиоактивностью. Впрочем, она не такая высокая, чтобы переживать по этому поводу. Она существенно ниже, чем у топлива для атомной станции. Например, период полураспада уранового топлива составляет почти 5 миллиардов лет (то есть почти никогда), а трития — всего 12 лет. Да и используется его минимальное количество.

А еще можно добавить, что технологию реакции термоядерного синтеза нельзя применить в военных целях. Создание плазмы вне токамака пока невозможно, а использование его самого в качестве оружия слабо осуществимо из-за того, что он не взрывается.

Атомная эра

По использованию в качестве источника энергии урана в мире существует резкая дифференциация. Всего сейчас работает 191 ядерная электростанция с 451 ядерным реактором (еще 60 реакторов находятся в стадии строительства). Из этого числа 100 реакторов построены в США и дают этой стране 20% электроэнергии. В России 36 реакторов дают почти пятую часть электроэнергии. Есть страны, в которых ядерная энергия — это треть энергии в ее общем балансе (Южная Корея, Финляндия). Имеются страны, где эта доля — почти половина всей энергии (Словакия, Украина). А вот в Китае и Индии доля ядерной энергии в общем балансе меньше 5%. Совсем не используется ядерная энергия в Австралии, в большинстве стран Южной и Центральной Америки и в многочисленных мелких государствах Океании. Опережает все страны по этому показателю Франция, в которой 58 ее ядерных реакторов производят 77% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Неслучайно статья в Википедии об экономике Франции начинается словами: «Франция — высокоразвитая страна, ядерная и космическая держава».

Отчасти это объясняется тем обстоятельством, что во Франции еще в 30-е годы прошлого века начали развиваться работы по ядерной физике. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (как и Энрико Ферми в Италии) стали нобелевскими лауреатами за получение новых изотопов («меченых атомов»). Но они не поняли, что в их опытах наблюдалась также реакция деления урана. Об этом догадались немецкие радиохимики и физики О. Ган, Ф. Штрассманн, Л. Мейтнер. Началась атомная эра. Энрико Ферми продолжал работы с ураном уже в США. Он изобрел и построил ядерный реактор, где в ноябре 1942 года впервые в мире была осуществлена цепная ядерная реакция деления урана. Но целью создания первых реакторов было не выработка электроэнергии, а получение плутония, искусственного трансуранового элемента, способного, как и уран, к взрывному осуществлению реакции деления.

После окончания войны и ужасных августовских событий 1945 года в Хиросиме и Нагасаки интересы многих физиков-ядерщиков сосредоточились на мирном использовании энергии деления. Их вдохновлял и запуск в 1954 году первой в мире ядерной электростанции в СССР. В реакторостроении Франция вскоре стала мировым лидером. Возможно, в этом немалую роль сыграли и почти полное отсутствие во Франции секретности ядерных исследований, и большой интерес к этим исследованиям французского правительства. На юге Франции, в маленьком городке Кадараш в 60 километрах от Марселя был создан мощный научный центр ядерной физики.

И именно там, неподалеку от Кадараша, в 2006 году было намечено построить ИТЭР — международный термоядерный экспериментальный реактор. Огромную строительную площадку размером с 400 футбольных полей было решено создать в лесном массиве, поскольку вся безлесная сельскохозяйственная округа была арендована частными владельцами. Первое дерево было срублено 29 января 2007 года. Но перед этим несколько лет уточнялись научные предпосылки строительства реактора и почти пять лет разрабатывался технический проект сооружения. Много времени ушло и на организацию финансирования проекта и создание управляющих органов. Первоначально планировалось запустить реактор в 2022 году и затратить 5 миллиардов долларов. Но в 2012 году проект был пересмотрен, сроком окончания строительства был намечен 2025 год, а предполагаемая сумма затрат возросла до 20 миллиардов долларов. Сейчас пройдена половина дистанции, и панорама строительства поражает воображение.

Кто же затеял и осуществил проект этой грандиозной стройки, поистине «стройки ХХI века»? Как возникла система финансирования и изготовления многочисленных узлов и агрегатов будущего реактора?

Будущее мировой энергетики

В то же время, к концу двадцатого столетия стало отчетливо ясно, что человечество стоит перед угрозой всемирного энергетического голода. Тогда, двадцать лет назад, 80% мировой электроэнергии производилось на тепловых электростанциях, использующих в качестве источника энергии каменный уголь и природный газ, 15% приходилось на гидроэнергию, 10% — на ядерные (урановые) электростанции. Энергия солнечного излучения, ветра, морских приливов и тепла земных недр составляла в общем энергетическом балансе лишь сотые доли процента.

Работы ряда международных организаций позволили оценить мировые запасы природных источников электроэнергии и темпы нарастания ее потребления. По самым оптимистическим прогнозам, природного газа должно хватить на 100 лет, каменного угля — на 300 лет, урана — на 500 лет. Значительно расширить производство гидроэнергии не представляется возможным по экологическим соображениям. Мощные гидростанции требуют создания огромных водохранилищ, а это может нанести непоправимый вред природе. Так, например, при постройке крупнейшей в мире гидростанции «Три ущелья» на реке Янцзы (мощностью 22,5 ГВт) созданное искусственное озеро площадью в 630 км2 потребовало переселения трех миллионов человек. А в несколько раз меньшие по мощности российские гидростанции Братская и Усть-Илимская «снабжены» водохранилищами площадью 5400 км2 и 1830 км2 . Это уже не озера, а целые моря.

Мы специально ничего не говорим о нефти, запасы которой, как известно, наиболее ограничены (максимум на 60–80 лет). В получении электроэнергии сама нефть не играет заметной роли. Она используется для транспорта — авиационного, автомобильного, водного и железнодорожного. Часть транспорта, конечно, можно будет перевести на электрические двигатели, как уже это сделано для железнодорожного транспорта. Но, во-первых, это даст еще большую нагрузку на сжигание газа и каменного угля и, во-вторых, довольно трудно представить авиацию на «электрической тяге». А главное, прекратить использование нефти в качестве топлива придется довольно скоро, ведь нефть — невосполнимый источник многих химических технологий. Перефразируя Д. И. Менделеева, скоро можно будет сказать, что дешевле сжигать в автомобилях ассигнации, чем бензин.

Что произошло в мировой энергетике за прошедшие 20 лет? Главное изменение — это значительное увеличение доли используемого в качестве источника энергии природного газа. Она увеличилась с 5 до 15%. Соответственно, доля каменного угля уменьшилась до 50%. Гидроэнергия обеспечивает 20%, а ядерная энергия — 12%. По-прежнему крайне незначительна роль в энергетическом балансе энергии солнечного излучения и ветровой энергии. Увеличение доли природного газа в энергобалансе безусловно снижает экологический вред от сжигания каменного угля, в продуктах горения которого содержится целый ряд вредных газов и микрочастиц тяжелых металлов. Улавливание этих примесей перед выбросом газов в атмосферу обходится очень дорого. Это смогли себе позволить США, где сжигание каменного угля дает 60% энергии. А вот экологическая обстановка в густонаселенных районах Китая катастрофически ухудшается. В этой стране, почти лишенной природного газа, 75% электроэнергии производится за счет сжигания каменного угля. Россия в этом отношении — благополучная страна. Уже только 20% электроэнергии производится на угольных электростанциях, а 55% дает природный газ. Суммарная доля использования гидроэнергии и ядерной энергии примерно соответствует среднемировому показателю — 32%.

Риски ИТЭР

В настоящее время ИТЭР находится на полпути к своей первоначальной цели циркуляции плазмы.

Разработчики постоянно работают над прогнозированием и смягчением рисков, которые могут привести к дополнительным задержкам или затратам.

Конечной целью, конечно, является не просто циркулирующая плазма, но и плавление дейтерия и трития для создания “горящей” плазмы, которая генерирует значительно больше энергии, чем поступает в нее. Токамак ИТЭР должен генерировать 500 мегаватт электроэнергии, в то время как коммерческие термоядерные установки будут размещать более крупные реакторы, чтобы генерировать от 10 до 15 раз больше энергии. Согласно планам, 2000-мегаваттный термоядерный завод поставит 2 миллиона домов электричеством..

Если проект окажется успешным, ученые ИТЭР предсказывают, что термоядерные электростанции могут начать выходить в эксплуатацию уже к 2040 году по производству 2 гигаватт и более. Капитальные затраты на строительство АЭС должны быть аналогичны капитальным затратам нынешних АЭС ― около 5 миллиардов долларов за гигаватт. В то же время термоядерные электростанции просто используют дейтерий и тритий, и поэтому избегают “затрат на добычу и обогащение урана, или затрат на уход за радиоактивными отходами и их утилизацию.

Строительство атомной станции синтеза стоит больше, чем строительство станции ископаемого топлива. Цены на ископаемое топливо очень высоки, а расходы на топливо для синтеза незначительны, так что в течение срока службы электростанции расходы будут незначительны.

В то же время ископаемое топливо обходится дорого не только из-за финансовых значений. Огромные затраты на ископаемое топливо связаны с воздействием на окружающую среду, будь то из-за добычи полезных ископаемых, загрязнения окружающей среды или выброса парниковых газов. Синтез углерода – бесплатен.

Термоядерные реакции

Применение

Применение термоядерной реакции как практически неисчерпаемого источника энергии связано в первую очередь с перспективой освоения технологии управляемого термоядерного синтеза (УТС). В настоящее время научная и технологическая база не позволяет использовать УТС в промышленных масштабах.

Первое испытание прототипа водородной бомбы. США, 1 ноября 1952 г. Проект Ivy Mike

Вместе с тем неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военном деле. Впервые термоядерное взрывное устройство было испытано в ноябре 1952 года в США, а уже в августе 1953 года в Советском Союзе испытали термоядерное взрывное устройство в виде авиабомбы. Мощность термоядерного взрывного устройства (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создавать взрывные устройства практически любой мощности.

Примечания[править | править код]

1. И.Н. Бекман ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. Лекция 21. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ В ТЕРМОЯДЕРНОМ СИНТЕЗЕ
2. Это суммарная запись топливного цикла DT реакции с воспроизводством T через Li

• Страница — краткая статья
• Страница — энциклопедическая статья
• Разное — на страницах: , , ,

Применение

Применение термоядерной реакции как практически неисчерпаемого источника энергии связано в первую очередь с перспективой освоения технологии управляемого термоядерного синтеза (УТС). В настоящее время научная и технологическая база не позволяет использовать УТС в промышленных масштабах.

Первое испытание прототипа водородной бомбы. США, 1 ноября 1952 г. Проект Ivy Mike

Вместе с тем неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военном деле. Впервые термоядерное взрывное устройство было испытано в ноябре 1952 года в США, а уже в августе 1953 года в Советском Союзе испытали термоядерное взрывное устройство в виде авиабомбы. Мощность термоядерного взрывного устройства (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создавать взрывные устройства практически любой мощности.

Мюонный катализ

Основная статья: Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов.

Мюоны µ−, вступая во взаимодействие с термоядерным топливом, образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов топлива несколько меньше, что облегчает их сближение и, кроме того, повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Число реакций синтеза X_c, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона. Экспериментально удалось получить значения X_c ~100, т. е. один мюон способен высвободить энергию ~ 100 × Х МэВ, где Х — энергетический выход катализируемой реакции.

Пока величина освобождаемой энергии меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии с использованием мюонного катализа возможно при X_c ~ 104.

Устройства

В ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­но­го ре­ак­то­ра для УТС наи­бо­лее при­вле­ка­тель­ны сис­те­мы, ра­бо­таю­щие в ста­цио­нар­ном или ква­зи­ста­цио­нар­ном ре­жи­ме. Та­ки­ми сис­те­ма­ми яв­ля­ют­ся маг­нит­ные ло­вуш­ки, обес­пе­чи­ваю­щие маг­нит­ное удер­жа­ние вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы. Маг­нит­ное по­ле ло­вуш­ки ог­ра­ни­чи­ва­ет дви­же­ние за­ря­жен­ных час­тиц, обес­пе­чи­вая маг­нит­ную тер­мо­изо­ля­цию плаз­мы. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли маг­нит­ные ло­вуш­ки ти­па то­ка­мак – замк­ну­тые то­рои­даль­ные сис­те­мы, маг­нит­ная кон­фи­гу­ра­ция ко­то­рых соз­да­ёт­ся внеш­ни­ми ка­туш­ка­ми и те­ку­щим по плаз­ме то­ком. То­ка­мак обес­пе­чи­ва­ет бес­ко­неч­но дол­гое удер­жа­ние уе­ди­нён­ной за­ря­жен­ной час­ти­цы, но столк­но­ве­ния ме­ж­ду час­ти­ца­ми и раз­ви­тие плаз­мен­ной тур­бу­лент­но­сти при­во­дят к по­те­рям плаз­мы. Близ­ки­ми свой­ст­ва­ми об­ла­да­ют сис­те­мы ти­па стел­ла­ра­тор – замк­ну­тые ло­вуш­ки, маг­нит­ное по­ле ко­то­рых соз­да­ёт­ся толь­ко внеш­ни­ми об­мот­ка­ми. Стел­ла­ра­то­ры кон­ст­рук­тив­но слож­нее то­ка­ма­ков; их осн. пре­иму­ще­ст­во свя­за­но с воз­мож­но­стью бо­лее про­дол­жи­тель­ной (ста­цио­нар­ной) ра­бо­ты, по­сколь­ку, в от­ли­чие от то­ка­ма­ков, не тре­бу­ет­ся под­дер­жа­ние те­ку­ще­го по плаз­ме то­ка. По­тен­ци­аль­но ин­те­рес­ные кон­фи­гу­ра­ции маг­нит­ных ло­ву­шек с об­ра­щён­ным маг­нит­ным по­лем ши­ро­ко­го рас­про­стра­не­ния не по­лу­чи­ли. От­кры­тые (про­боч­ные или зер­каль­ные) маг­нит­ные ловуш­ки из-за по­вы­шен­ных по­терь час­тиц в ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­ных ре­ак­то­ров не рас­смат­ри­ва­ют­ся, од­на­ко со­хра­ня­ют­ся пер­спек­ти­вы их ис­поль­зо­ва­ния в ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­ных ис­точ­ни­ков ней­тро­нов и плаз­мен­ных кос­мич. дви­га­те­лей.

Аль­тер­на­ти­вой маг­нит­но­го удер­жа­ния слу­жит прин­цип инер­ци­аль­но­го удер­жа­ния, ос­но­ван­ный на воз­мож­но­сти про­те­ка­ния тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции за вре­мя ес­теств. раз­лё­та вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы. По­сколь­ку это вре­мя очень ко­рот­кое, для вы­пол­не­ния кри­те­рия Ло­усо­на смесь дей­те­рия и три­тия не­об­хо­ди­мо бы­ст­ро и силь­но сжать и на­греть. Для это­го мож­но ис­поль­зо­вать мощ­ные ла­зер­ные им­пуль­сы (ла­зер­ный тер­мо­ядер­ный син­тез), пуч­ки ус­ко­рен­ных час­тиц (ион­ный тер­мо­ядер­ный син­тез), раз­ря­ды с боль­шим то­ком (пинч-эф­фект) и др. По су­ти, речь идёт о ми­ниа­тюр­ных тер­мо­ядер­ных взры­вах, для реа­ли­за­ции ко­то­рых соз­да­ют­ся слож­ные мно­го­слой­ные ми­ше­ни, обес­пе­чи­ваю­щие бо­лее рав­но­мер­ное и од­но­род­ное бы­строе сжа­тие то­п­лив­ной сме­си и её на­грев. Од­но­род­ность не­об­хо­ди­ма, что­бы из­бе­жать раз­ви­тия не­ус­той­чи­во­стей плаз­мы – од­но­го из осн. пре­пят­ст­вий на пу­ти к реа­ли­за­ции УТС. Пред­ло­жен спо­соб т. н. бы­ст­ро­го под­жи­га, ко­гда сжа­тие пред­ше­ст­ву­ет на­гре­ву, ко­то­рый дол­жен быть им­пульс­ным, сверх­ко­рот­ким для ло­каль­но­го под­жи­га ми­ше­ни, с по­сле­дую­щим рас­про­стра­не­ни­ем тер­мо­ядер­но­го го­ре­ния на всю плаз­му.

Мюонный катализ

Основная статья: Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов.

Мюоны µ−, вступая во взаимодействие с термоядерным топливом, образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов топлива многократно (≈200 раз) меньше, что облегчает их сближение и, кроме того, повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Число реакций синтеза X_c, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона. Экспериментально удалось получить значения X_c ~100, то есть один мюон способен высвободить энергию ~ 100 × Х МэВ, где Х — энергетический выход катализируемой реакции.

Пока величина освобождаемой энергии меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии с использованием мюонного катализа возможно при X_c ~ 104.

Видео про ШРУС

Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов.

Мюоны µ−, вступая во взаимодействие с термоядерным топливом, образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов топлива несколько меньше, что облегчает их сближение и, кроме того, повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Число реакций синтеза X_c, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона. Экспериментально удалось получить значения X_c ~100, т. е. один мюон способен высвободить энергию ~ 100 × Х МэВ, где Х — энергетический выход катализируемой реакции.

Пока величина освобождаемой энергии меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии с использованием мюонного катализа возможно при X_c ~ 104.

Конструкции термоядерных реакторов

Сегодня для создания высокотемпературной плазмы используются два основных типа устройств:

• квазистационарные;
• импульсные.

К первой группе относятся устройства, в которых нагрев плазмы, а также ее удержание осуществляется с помощью мощного магнитного поля — токамаки, стеллараторы, магнитные ловушки. Они отличаются лишь конфигурацией магнитного поля.

Российский токамак Т-15МД. Его запуск состоится в декабре 2020 года

Сейчас основные надежды инженеров и ученых связаны с токамаками. Эти устройства представляют собой тороидальные камеры со множеством внешних магнитов, которые удерживают плазму, не давая ей коснуться стенок. Кроме того, электрический ток непосредственно проходит по плазменному шнуру в вакуумной камере, что является главным отличием токамаков от других устройств данного типа. В мире построено более трехсот токамаков, такую же схему будет иметь реактор, разрабатываемый сейчас в рамках проекта ITER. В 2003 году на токамаке Tore Supra был поставлен рекорд длительности удержания плазмы – 6,5 минут. Еще в 90-е годы на токамаках TFTR и JET удалось добиться получения энергии, практически равной затратам на разогрев плазмы. Никакие другие установки похвастать подобным достижениями пока не могут.

Вторым распространенным типом термоядерного реактора является стелларатор. В нем магнитное поле для удержания плазмы создается только внешними источниками

Такие устройства имеют более сложную конструкцию по сравнению с токамаками, и стоят они дороже, но поведение плазмы в стеллараторах более спокойное и предсказуемое, что очень важно для коммерческого использования технологии

Самый большой в мире реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Его строили почти 15 лет

Импульсные или инерциальные системы работают совсем по другому принципу. Если в токамаках и стеллараторах до огромных температур нагревается плазма сравнительно небольшой концентрации, то в инерциальных устройствах она сжимается до огромной плотности с помощью лазерного излучения или потока частиц. Подобная схема выглядит весьма заманчиво, но на практике все не так просто.

Первые попытки создать инерциальное устройство относятся к 60-м годам прошлого века. Первоначально из термоядерного топлива формировали небольшой шарик, который облучали множеством мощных лазерных лучей. Однако оказалось, что сфера нагревается неравномерно и слабо. Чтобы решить эти проблемы, мишень стали заключать в особый контейнер с отверстиями, через которые проникают лазерные лучи. Излучение поглощается специальными кристаллами, что превращают поступающее излучение в ультрафиолетовое. Прогрессу инерциального метода способствовала концепция «быстрого поджига», предполагающая использование двух лазерных импульсов: один сжимает топливную капсулу, другой – разогревает ее.

Суть

Теперь термин предлагают заменить, и вместо холодного ядерного синтеза будет звучать следующее определение: ядерный процесс, индуцированный кристаллической решёткой. Под этим явлением понимают аномальные низкотемпературные процессы, с точки зрения ядерных столкновений в вакууме просто невозможные — выделение нейтронов посредством слияния ядер. Эти процессы могут существовать в неравновесных твёрдых телах, стимулирующихся трансформациями упругой энергии в кристаллической решётке при механических воздействиях, фазовых переходах, сорбции или десорбции дейтерия (водорода). Это аналог уже известной горячей термоядерной реакции, когда сливаются ядра водорода и превращаются в ядра гелия, выделяя колоссальную энергию, но происходит это при комнатной температуре.

Холодный термоядерный синтез точнее определяется как фотоядерные реакции, химически индуцированные. Прямого холодного термоядерного синтеза так и не удалось достичь, но поисками были подсказаны совершенно другие стратегии. Термоядерная реакция запускается генерацией нейтронов. Механическое стимулирование химическими реакциями приводит к возбуждению глубоких электронных оболочек, рождая гамма- или рентгеновское излучение, которое перехватывается ядрами. То есть происходит фотоядерная реакция. Ядра распадаются, и генерируют таким образом нейтроны и, вполне возможно, гамма-кванты. Что же может возбудить внутренние электроны? Вероятно, ударная волна. От взрыва обычной взрывчатки.

Что такое термоядерная реакция?

Ядерную энергию можно получить двумя способами: делением тяжелых ядер и синтезом (слиянием) легких ядер. Для слияния легких ядер необходимо, чтобы они сблизились на расстоянии около 10 в минус 12 см, так как ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер. Следовательно, подобные реакции могут протекать только при очень высоких температурах. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называют термоядерным (термоядерная реакция).

Рис. 1. Термоядерная энергия.

Термоядерные реакции, идущие в недрах звезд, играют очень важную роль в эволюции Вселенной. Они – источник ядер химических элементов, которые синтезируются из водорода в звездах.

Уникальная особенность термоядерных реакций как источника энергии – это очень большое энерговыделение на единицу массы реагирующих веществ, примерно в 10 миллионов раз больше, чем в химических реакциях. Вступление в синтез одного грамма изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 тонн бензина. Поэтому ученые давно стремятся овладеть этим гигантским источником энергии. В принципе мы умеем уже сейчас получать энергию в результате реакции термоядерного синтеза. Нагреть вещество до звездных 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.

На Солнце в качестве основного источника энергии выступают реакции протон-протонного цикла, когда из четырех протонов рождается одно ядро гелия. Энергия, которая выделяется в процессе синтеза, уносится образующими ядрами, нейтронами, нейтрино и квантами электромагнитного излучения.

Рис. 2. Солнце.

Токамак

Для создаваемого устройства И. Н. Головин придумал название — токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками). Токамак-1 (Т-1) и Токамак-2 (Т-2) оказались неудачными — плазма разрушалась очень быстро. Наконец, в 1968 году на Т-3 был достигнут некоторый успех — плазма с температурой 10 миллионов градусов просуществовала почти секунду. При этом были зафиксированы нейтроны — продукты термоядерной реакции синтеза. Успех был повторен английскими физиками на их аналогичном устройстве. В мире начался настоящий бум сооружения подобных устройств — к 1986 году их общее число достигло 300. Этому способствовало полное рассекречивание работ по мирному использованию термоядерной энергии, которые велись в СССР.

В 1956 году И. В. Курчатов на конференции физиков-ядерщиков в английском ядерном центре Харуэлл сделал доклад, в котором рассказал об идее токамака и ее осуществлении в СССР. А в это время еще существовала во всех странах полная секретность работ по ядерной энергетике (о запуске в СССР ядерной электростанции в 1954 году было объявлено, но детали ее конструкции оставались строго секретными). Поэтому доклад Курчатова стал сенсацией. Мировое сообщество физиков-ядерщиков было поражено успехами советской физики и размахом работ по термоядерному синтезу. Сам термин «токамак» стал международным словом, не требующим перевода (несколько ранее так было со словом «спутник»).

В разных проектах использовались различные термоядерные реакции. Вот только некоторые из них (с указанием кинетической энергии продуктов реакции):

2H + 2H → 1H + 3H + 4,0 МэВ,2H + 2H → 3He + 1n + 3,3 МэВ,2H + 3H → 4He + 1n + 17,6 МэВ,3He + 3He → 4He + 21p + 12,8 МэВ,2H + 3He → 1p + 4He + 18,5 МэВ,2H+ 7Li → 24He + 1p + 16,9 МэВ.

Внутри звезд, где кроме водорода, гелия и лития присутствуют и ядра других легких элементов, возможны и иные ядерные реакции синтеза. Но основное энерговыделение определяется превращением водорода в гелий. Кинетическая энергия продуктов этих реакций синтеза в расчете на одну частицу оказалась в несколько раз больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер.

Токамаки все больше увеличивались в размерах, создавались все более сильные магнитные поля, возрастала сила тока в плазме. При токах в тысячи ампер воздействующие на них магнитные поля должны иметь индукцию не менее 10 тесла — это в сотни тысяч раз больше магнитного поля Земли и в тысячи раз больше магнитных полей в электромагнитах подъемных кранах. Существование магнитного поля в катушке электромагнита определяется током в его обмотке. Для создания магнитных полей в десятки тесла сила тока в обмотке должна составлять десятки тысяч ампер. А это возможно только тогда, когда обмотки не будут иметь электрического сопротивления, т.е. будут сделаны из сверхпроводящего материала, и их температура не будет превышать 4 кельвинов. Единственным охладителем до таких температур может быть только жидкий гелий.

Технология создания сверхсильных магнитных полей создавалась для различных целей — для ускорителей заряженных частиц, для медицинских томографов. Но в этих случаях магнитное поле имело обычную соленоидальную форму. А в токамаке создание необычного тороидального поля требовало и необычных сердечников, и необычных их обмоток. Важнейшим вопросом становилась и защита внутренних стенок реакционной камеры от случайных выбросов плазмы с ее многомиллионной температурой, и защита этих стенок от разрушающего действия быстрых нейтронов, и десятки других трудностей, которые нужно было преодолевать. Мечта о 5–10 годах для решения проблемы «приручения» термоядерной реакции так и осталась мечтой.

В 1985 году были построены Токамак-15 и Токамак-16. Это были совместные разработки СССР — Китай и СССР — Япония, поскольку в Советском Союзе уже не было возможности затратить на эти работы миллионы долларов. Зато научными руководителями проектов были российские ученые — академики Б. Б. Кадомцев и Е. П. Велихов (Е. П. даже был награжден японским «Орденом восходящего солнца»). Длительность устойчивого состояния плазмы в этих реакторах уже превышала секунду. Но главное, стало ясно, что для длительного устойчивого состояния плазмы необходимы реакторы значительно больших размеров — примерно в 10 раз больших, чем Токамак-16. Стоимость сооружения такого реактора оценивалась уже в несколько миллиардов долларов. И ни одна страна в мире (включая и США) не могла себе позволить такой научный эксперимент. Тем более, что предполагаемый реактор мог и не дать ожидаемого результата.

Кулоновский барьер

Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие. Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.

Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. Для сравнения, энергия ионизации водорода — 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции, будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму.

Температура, эквивалентная 0,1 МэВ, приблизительно равна 109К, однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции:

Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней (т. н. «хвост максвелловского распределения»).

Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозь него.