Термоядреный синтез - энергия будущего
Вместе с индустриальным развитием цивилизации все более и более остро встает вопрос о
том, где взять энергию для обеспечения растущих потребностей человечества. На
данный момент основным источником остаются «углеводороды», такие как нефть, природный газ
и уголь. Однако их использование связано с целым рядом негативных моментов.
Во-первых, они рано или поздно закончатся. Во-вторых, их использование негативно сказывается на
экологии – как в процессе добычи, транспортировки, так и в процессе переработки
и сжигания.
1. Альтернатива
Конечно
же, существует альтернатива в виде гидроэнергетики, однако количество рек,
пригодных для строительства ГЭС сильно ограничено. Есть еще АЭС, дающие дешевую
и относительно безвредную энергию (в безаварийном режиме эксплуатации), но что
делать с ядерными отходами, да и в обществе очень негативно относятся к этому
виду энергетики. Конечно, стоит сказать
и о всевозможных «экологически чистых» альтернативных источниках, вроде ветра и
солнечных батарей. Но они маломощны и вовсе не так уж безопасны, как может
показаться на первый взгляд, так что рассматривать их всерьез не следует. И
тем не менее, наука не стоит на месте, разрабатываются все более оригинальные и
совершенные методы. Из наиболее технологичных и прогрессивных способов добыть
энергию, одним из самых интересных, без сомнения, можно назвать термоядерный синтез. Это
действительно технология будущего.
Впервые идея использования
термоядерного синтеза, как одного из средств добычи энергии, была предложена
еще в середине XX
века в то самое время, когда термоядерная реакция реализовалась в виде так
называемой «водородной бомбы».
2. Немного физики
Что это такое:
Итак,
существует ядерный распад тяжелых элементов, например, урана и плутония. Их
ядра нестабильны сами по себе, а в случае попадания в них элементарных частиц,
"разваливаются" на части, высвобождая при этом значительную энергию и заодно
массу других элементарных частиц, которые, в свою очередь, могут послужить для
«детонации» соседних нестабильных ядер (если таковые по соседству имеются). Если обеспечить достаточную плотность и количество таких тяжелых ядер в одном месте, распад
сам себя поддержит, а при определенной величине произойдет взрывоподобно. На этом принципе работали первые ядерные бомбы и
на этом же принципе построены реакторы АЭС, где протекает «управляемая» ядерная
реакция.
Но существует и другая разновидность
ядерных взаимодействий, где подразумевается не распад больших элементов на
маленькие, а наоборот – синтез более крупных из более мелких. Такая реакция
происходит ежесекундно на Солнце, где при большой температуре водородные ядра
«слипаются» и образуют более массивный гелий, находящийся дальше в
периодической системе. При этом также высвобождается значительная энергия. Однако
обязательным условием для такого синтеза является высокая температура, причем
не просто высокая, а очень высокая. Она необходима для того, чтобы при
столкновении друг с другом, ядра водорода могли преодолеть электромагнитные
силы взаимного отталкивания, ведь температура отражает кинетическую энергию движения частиц, в том числе и тех, что движутся друг навстречу другу. Оттого этот синтез и называется «ТЕРМОядерным».
3. От ядерного оружия к энергетике
В оружии, в целях обеспечения высокой температуры для начала синтеза, применяется ядерная реакция, о
которой сказано вначале (распад тяжелых элементов). Она уже вызывает
непосредственно синтез гелия. В бомбе в качестве начинки используется дейтерид
лития, его молекула состоит из атома лития-6 и атома водорода-2. При взрыве плутониевого
заряда, создающего высокую температуру, литий, выделяя энергию, распадается на
два атома трития (водород-3), которые «слипаются» с дейтерием, образуя один
атом гелия и еще свободный нейтрон. Причем сколько заложишь дейтерида лития,
такой мощности и будет взрыв. Это оружие значительно мощнее, чем первые
ядерные заряды, какие сбросили на Хиросиму и Нагасаки.
Соответственно возникает разумное
желание применить эту мощь не на разрушение, а на созидание, тем более, что это
гораздо доступней и экологически безопасно. Синтез - практически неограниченный
и гигантский источник энергии, ведь водорода много, проще добыть, чем обогащенный
уран, кроме того нет никаких ядерных отходов. Идею поэтично назвали
«Солнце в коробке».
Необязательно
использовать плутониевую бомбу для создания высокой температуры, для этого
можно применить и иные методы, пригодные для мирной энергетики, например
электромагнитное воздействие или лазер. Что касается пресловутой радиации, то тут
имеет место только нейтронное излучение в процессе самой реакции, да еще
образующийся тритий, но от них можно отгородиться. Ни отходов, ни
ограничений в запасах полезных ископаемых (за исключением лития-6, если не найти его альтернативы). Да и мощность такой электростанции
можно сделать любую – маленькую, чтобы помещалась, например, в автомобиле, либо
большую. Теоретически, разумеется. Проблема здесь в другом. Из чего сделать "ящик", в котором
будет находиться наше маленькое солнце?
В Советском Союзе существовала
ядерная система "Токамак", где высокотемпературная плазма удерживалась за счет
мощного электромагнитного поля, которое, фигурально выражаясь, удерживало
плазму «в воздухе». То есть само детонирующее вещество не касалось бы
внутренней стенки реактора. Идея потрясающая по своей смелости и изящности,
однако сложная в том отношении, что необходимая для удержания плазмы энергия
требовалась бОльшая, нежели та, что удавалось добыть при помощи реакции.
Однако это, в конечном счете, вопрос
развития других ветвей науки – производства материалов, сверхпроводимости и
прочего, что уже не относится к ядерной физике напрямую.
4. Что мы имеем сегодня
Эксперименты и строительство подобных
установок производилось во всех технологически развитых точках цивилизации, но
можно с уверенностью сказать, что у нас успехов было больше, чем в других
странах. Однако, не смотря на некоторые прорывы, развитие этой идеи протекало
везде достаточно вяло и нигде не удалось создать такую установку, чтобы она
производила энергии больше, чем пожирала. Задача, безусловно, очень сложная.
Тем не менее, прогресс не стоит на
месте и работа по укрощению термоядерного синтеза продолжается. В настоящее
время, кроме национальных проектов отдельных стран (США, например) существует
международный проект ITER. Его площадка находится на юге Франции и там
должны создать термоядерный демонстрационный реактор, способный выдавать
большее количество энергии, чем потребляет.
