Термоядерный реактор  Что это такое и как он работает

Устройства, в которых пытаются запустить процессы, происходящие внутри Солнца и звезд, есть в разных странах. Впервые подобный проект осуществили в СССР в 1954 году, а в 1968 году в Институте атомной энергии имени Игоря Васильевича Курчатова плазму сумели нагреть до 11,6 млн °C. Надо сказать, что в успехи советских ученых не слишком верили, но когда английская делегация во главе с Николь Пикок проверила результаты своей аппаратурой, началось строительство подобных центров везде, где могли себе это позволить - уж очень боялись отстать в гонке за дешевой энергией.

Сейчас различных установок для удержания горячей плазмы достаточно много. Например, в Китае токамак HL2M удерживает плазму в течение 10 секунд. Кстати, китайские ученые считают вполне реальным запуск промышленной установки на базе HL2M к 2035 году, а массовое строительство термоядерных электростанций планируют в 2050-м году.

Чтобы понять, насколько реалистичны такие планы, а человечество близко к реализации этого замысла, сперва кое-что вспомнить из школьной программы. Почему, когда тяжелые атомные ядра разваливаются на куски, выделяется огромная энергия? Почему, когда легкие ядра срастаются вместе… тоже выделяется огромная энергия? Уж не ошиблись ли все эти ученые? Да и что такое этот термоядерный синтез.

Что такое термоядерный синтез

Термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого два лёгких атомных ядра объединяются в одно более тяжёлое ядро с высвобождением огромного количества энергии.

Но есть уточнение – чтобы получать электрическую энергию для мирных целей, требуется не просто термоядерный синтез, а Управляемый Термоядерный Синтез, или УТС.

А теперь освежим в памяти, откуда эта энергия берется

Как устроен атом

первым выяснил великий Эрнест Резерфорд, британский ученый, рожденный в Новой Зеландии. Его считают отцом ядерной физики. Обстреляв в лаборатории кусок золотой фольги тяжелыми альфа-частицами, он выяснил, что часть из этих частиц не пробивала фольгу, а отскакивала от нее, и рикошетила, а некоторые так и вовсе летели назад! Как если бы в газету выстрелить снарядом из пушки, а газета отразила бы его, как броня. Благодаря этому опыту появилась планетарная модель атома: по краям летают электроны, а в середине – твердое и тяжелое ядро, от которого и отскакивали альфа-частицы.

Что внутри ядра

Продолжая эксперименты, ученые выяснили, что ядро атома тоже составлено из отдельных частей: нуклонов. Их есть два вида – протоны и нейтроны. Протоны имеют массу, и к тому же положительно заряжены. Их количество в атоме соответствует номеру элемента в периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева: у магния – номер 12, стало быть 12 протонов в ядре. У кислорода – 8, у водорода – 1, у гелия – 2, у урана – 92.

Нейтроны (от лат. neuter — ни тот, ни другой), не обладают ни положительным, ни отрицательным зарядом, у них есть только масса.

Положительное притягивает отрицательное – вот и протоны своим положительным зарядом удерживают отрицательные электроны, которые летают вокруг ядра. Это понятно, закон кулона, притяжение противоположностей, знаем. Но что же удерживает вместе протоны и нейтроны внутри самого ядра?

Сильное взаимодействие

Это не фигура речи, именно так назвали одно их четырех фундаментальных взаимодействий в физике, среди которых гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. О слабом сегодня речь не пойдет, а с первыми двумя вы знакомы. Но если не гравитация и не электричество – то что же заставляет протоны и нейтроны оставаться в ядре?

В 1935 году японский физик Хидэки Юкава предположил и теоретически обосновал, что составляющие ядро нуклоны постоянно обмениваются частицами поменьше – пионами, или пи-мезонами. Потом это подтвердилось экспериментально, в 1947 году. Один нуклон испускает пион, другой поглощает, и все это «ты мне, я тебе» происходит постоянно и очень быстро, за счет этого обмена нуклоны и держатся вместе.

Такие вещи прочно удерживают не только частицы в ядре. Но если у легких ядер (до 7 нуклонов в каждом) при увеличении количества нуклонов внутри энергия такой связи растет, у средних (от 7 до 90) – остается неизменной, то у тяжелых – падает. Все, как у людей: когда участников в процессе немного, то принцип «ты — мне, я —тебе» это полезная поддержка, взаимная вежливость. А двое, объединившись, могут оказать больше услуг и получить больше выгоды.

Но если число участников обмена растет, все усложняется: десятки заинтересованных, постоянные подарки и услуги, никого нельзя забыть, мезончик тому, пиончик этому, а если этот не поможет тому, а тот этому и потом этот им, а они нам… Коррупционные схемы рушатся под собственной тяжестью от чрезмерного разрастания, особенно если их подтолкнуть. Это вам скажет любой толковый следователь или физик. Физику еще никому не удавалось обмануть.

E=mc²

Протоны положительно заряжены, а стало быть, по закону Кулона, отталкиваются друг от друга. Сильное взаимодействие, которое мы здесь описали в виде системы взаимных бескорыстных услуг, обладает гораздо меньшим радиусом действия, чем кулоновское отталкивание. Чтобы еще проще – у закона Кулона руки слабее, но длиннее, чем у сильного взаимодействия, и они не позволяют ядрам схватиться друг за друга и слиться в объятиях. Но если сжать ядра максимально близко, преодолев отталкивающую силу Кулона, сильное взаимодействие своими короткими, но очень сильными ручками ухватится и притянет ядра друг к другу! Тогда они соединятся в более тяжелый элемент, чем каждый из них до этого, как, например, дейтерий и тритий – изотопы водорода, сливаясь, превращаются в гелий. Но новый будет легче, чем масса двух предыдущих в сумме. А куда же делась часть массы? Она превратится в ту самую энергию, которую нам нужно получить.

Помните формулу E=mc²? С – скорость света (частицы медленнее не летают), а масса в физике часто превращается в энергию – и энергия часто уходит в массу. Люди с хорошим аппетитом с сожалением узнают об этом на собственном примере.

Если добавить нуклонов в лёгкое ядро (в котором не более 7 нуклонов), энергия выделится наружу. А если вытянуть несколько нуклонов из тяжёлого (где их больше 90, и все погрязли в своих коррупционных пи-мезонных связях), то система развалится, но сумма осколков по массе будет меньше развалившегося целого, и разница в энергии тоже выделится наружу. В физике, если задуматься, больше философии, чем в любой гуманитарной науке.

Конечно, какую-то энергию придется затратить на любой из этих процессов, чтобы одни сливались, а другие разваливались. Самое главное, чтобы полученной энергии было больше, чем затраченной.

Зачем нужна термоядерная энергия

Энергия, полученная в результате термоядерного синтеза, может оказаться значительно дешевле той, что дают даже атомные электростанции. Ее получение не потребует такого насилия над природой, как строительство гидроэлектростанций, из-за которого да дно рукотворных морей уходят целые деревни и города, затапливаются огромные территории, нарушается природный баланс воды в водоемах. Она не выбросит в воздух копоть и дым, как тепловые электростанции. В отличие от атомных станций, термоядерные реакторы не угрожают такими масштабными авариями, как Чернобыль или Фукусима – реакция в случае необходимости может быть мгновенно прекращена. Отходов топлива вовсе нет, немножко гелия, шарики надувать, на радость детворе. Само топливо плещется в мировом океане, там сколько угодно дейтерия. Тритий добыть тоже не сложно, хотя для его получения снова нужен привычный нам ядерный реактор, и его производство обойдется примерно в $30 млн за килограмм. Так ведь все равно выйдет дешевле, чем жечь нефть или уголь. Действительно, один грамм смеси дейтерия с тритием в результате ядерного синтеза даст энергии как четыре тонны нефти или угля, приблизительно, конечно. В общем, термоядерный синтез эффективнее в 4 миллиона раз. Только запасов дейтерия хватит на 25 миллиардов лет (вселенной сейчас всего 14 миллиардов), захочется больше энергии – привезем с Луны изотоп Гелий 3 – и даже с такой экзотической доставкой все равно окупится! Так что зачем человечеству «термояд» – вообще не вопрос.

Но одно дело – шарахнуть «Царь-бомбу», и чуть не расплавить полученной энергией Новую Землю, и совсем другое – получить столько же энергии, а потом распределить и израсходовать ее в мирных целях.

Еще в 1946 году британские физики Джордж Паджет Томсон и Мозес Блэкмен подали заявку на патент на устройство для термоядерной реакции в газе в результате давления электромагнитного излучения. Принцип они поняли и запатентовали. Додуматься, что нужно делать – конечно сложно, но еще труднее придумать, как это сделать.

Термоядерный реактор – что это такое, принцип работы

Термоя́дерный реа́ктор - это устройство для получения энергии за счет реакций синтеза легких атомных ядер. Солнцу и другим звездам легко проводить такие реакции. Они тяжелые. Они могут одной своей гравитацией сдавливать ядра вместе . Но для этого нужна масса. А все то, что вокруг Солнца вертится и что мы называем «солнечной системой» составляет… 0,14% от его массы. Земля включена. Чтобы создать гравитационные силы, способные сдавливать атомные ядра с нужной для синтеза силой, реактор должен весить (минимально, с законами физики договориться не удастся) в 26 тысяч раз тяжелее Земли. Такой большой реактор нам и поставить-то негде.

Но можно создать адски высокую температуру, и начать обжимать ядра при помощи магнитных полей. На Солнце, в его ядре – температура составляет 15 миллионов градусов. Снова встает вопрос, сколько и чего нужно сжечь, чтобы такого добиться, а главное – из чего сделать печку, которая сама не сгорит? Теоретически – способы есть. Но для этого нам придется причесать ежика и выяснить, чем сын Одина отличается от бублика, и что он делает в пьяном виде. Нет-нет, с автором все в порядке, просто читайте дальше.

Допустим, что мы добьемся нужной температуры при помощи электромагнитных полей и останется только направить эти электромагнитные поля таким образом, чтобы удержать полученную плазму в таких теплых и радушных условиях. Казалось бы, идеальная форма для этого – сфера. Но ни в одной точке нельзя допустить отклонения – там немедленно образуется дырка, плазма нагревается еще и изнутри, никакой равномерности не получается, шарик не сжимается, как должно. Это в лучшем случае. Всему причиной геометрия, и «теорема о причесывании ежа». Научная ее формулировка: на сфере невозможно выбрать касательное направление в каждой точке, которое определено во всех точках сферы и непрерывно зависит от точки. Если говорить понятнее и проще: невозможно причесать ежика, который свернулся клубком, чтобы у него не торчала в сторону ни одна иголка.

То есть, невозможно создать термоядерный реактор в форме сферы. И кого нам теперь причесывать? Как удержать плазму под контролем? Нам нужен тор.

Нет, мы не станем причесывать скандинавского бога Тора – сына Одина. Нам нужна поверхность вращения, получаемая в результате обращения образующей ее окружности вокруг оси, лежащей в плоскости и не пересека… В общем, нужен бублик! Вот на нем, благодаря дырке, все иголочки могут причесаться идеально. Дырка от бублика – очень даже нужная вещь! В этом бублике мы расположим катушки, они создадут электромагнитное поле, и это поле удержит внутри бублика нагретую плазму в подвешенном виде, не давая ей соприкоснуться со стенками реактора!

Токамак

Схему термоизоляции в электромагнитном поле высокотемпературной плазмы начал разрабатывать в 1950 году академик Олег Александрович Лаврентьев. А уже в 1951 году придать плазме форму тора предложили Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм. А в 1957 году Игорь Николаевич Головин придумал слово, которое теперь знает каждый физик, и должен бы знать каждый школьник: «токамак», то есть «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками». Плазму предполагалось удерживать электромагнитными полями в тороидальной форме.

Стелларатор

С 1951 году в США астрофизик Лайман Спитцер предложил свою версию реактора для управляемого термоядерного синтеза. Подчеркивая, что процесс внутри реактора будет аналогичен происходящим в звездах, он назвал его стелларатор (по латыни Stella - звезда).

Топологически, или проще говоря, геометрически, в основе та же фигура – тор. Но эту еще называют «пьяный тор» - магнитное поле создавали две обмотки: одна винтовая, и вторая охватывающая её полоидальная (компенсационная), так что фигура напоминает тор из скрученной для отжима ткани.

Пробкотрон, или «открытая ловушка»

предполагает удерживать плазму в трубке, или цилиндрической вакуумной камере, открытой с торцов. Всем удобная конструкция, с одного конца можно нагонять топливо, с другого убирать продукты синтеза.

Галатея

– еще одна разновидность магнитной ловушки, в ней магнитное поле создается не только внешними катушками, но и погруженными в саму плазму проводниками с током.

Хольраум

Но если небольшой шарик плазмы поместить внутри металлической камеры – золотой трубочки с отверстиями, через которые в нее устремятся лазерные лучи, тоже можно удержать плазму! Трубочка эта называется хольраум, от немецкого слова «полость». Такой «лазерный пресс» предлагал ещё один из создателей лазера Николай Геннадьевич Басов. Кстати, если кто позабыл – лазер – это тоже аббревиатура: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, или «усиление света посредством вынужденного излучения».

Так что разновидностей термоядерного реактора придумали уже немало. Проблема не в том, чтобы получить огромную температуру – получали уже. Не в том, чтобы удержать плазму – удерживали, даже побольше минуты. И даже не в том, чтобы добиться ее высокой плотности – тоже добивались. Вот только сделать все это вместе и сразу – пока не получается. Токамаки и стеллаторы держат температуру и плазму – так плотность ничтожная. Хольраум плотность дает – а долго плазму не держит. Но тем не менее, ученые уже вышли на уровень решения исключительно инженерных задач. И это позволяет ожидать скорого успеха.

Первые достижения в области термоядерной энергетики

Декабрь 2022 года в Ливерморской лаборатории имени Лоуренса (LLNL), что в Калифорнии, в начале декабря 2022 года добились самоподдерживающейся реакции термоядерного синтеза и получили больше энергии, чем потратили на ее запуск. Событие колоссального значения! Возможно, отсчет дней термоядерной энергетики уже и начался.

Проблема только вот в чем. Получена тепловая энергия. Но как ее превратить в электрическую? Какой котел с паром или какую турбину прикрутить к этому хольрауму, чтобы загудели трансформаторы на подстанциях и дешевый электроток помчался по проводам в наши розетки? Впрочем, подобные проблемы человечество уже решало.

Проект международного термоядерного реактора ITER

Аббревиатура ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor, или «Международный экспериментальный термоядерный реактор» - что называется, «говорящая», ведь Iter по латыни – «путь». Задача ITER – решать всем мировым научным сообществом те проблемы и устранять те препятствия, которые возникают на пути снабжения человечества необходимой дешевой энергией.

Проект ITER разрабатывать начали еще в 80-е годы прошлого века, срок строительства несколько раз отодвигался, сейчас окончание постройки запланировано на 2025 год. Возводят ITER во французской коммуне Сен-Поль-ле-Дюранс (Провнас-Альпы-Лазурный берег), где уже расположен французский ядерный научно исследовательский центр CEA (Commissariat à l'énergie atomique). Участниками этого проекта стали Евросоюз, Великобритания, Швейцария, Индия, Китай, Республика Корея, Канада, США, Австралия, Япония, Таиланд, Казахстан и Россия. Доля Евросоюза в проекте — 45%, России, США, Китая, Южной Кореи, Японии и Индии— по 9,1%.

Тип реактора, который строится во Франции – токамак, который будет более 70-ти метров в высоту и весить 23 тысячи тонн. Объем плазмы – 40 кубических метров. Температура внутри реактора достигнет 150 миллионов градусов по Цельсию, а магниты будут охлаждены до -269 градусов (абсолютный нуль, если помните, -273,15 градусов Цельсия). Так что одновременно создается и самое горячее, и самое холодное место на Земле.

Пока трудно сказать, каких успехов можно ждать после запуска этого центра и начала экспериментов. Но наука в XXI веке не создается энтузиастами-одиночками, открытия не делают в гаражах и маленьких лабораториях. Будущее именно за проектами, где максимально открыто сотрудничают ученые всех стран мира. А стало быть, ITER – это правильный путь.