Обуздать энергию солнца мечтали ещё на заре ядерной эры. Управляемый термоядерный синтез должен был дать людям неиссякаемый источник чистой энергии, который в промышленном масштабе заменил бы все традиционные и альтернативные виды генерации.
Однако добиться мы его никак не можем. Мы даже не можем стабильно управлять параметрами высокотемпературной плазмы, не говоря уже о её зажигании в термоядерной реакции.
Учёные обещали нам термоядерную энергетику и 40 лет, и 20 лет назад… И с того времени какого-либо прорывного события в управляемом термоядерном синтезе не произошло. Мы ограничились лишь лучшим пониманием поведения плазмы, и на этом весь прогресс закончился.
А может быть, управляемый термоядерный синтез в нынешних реалиях – это вообще тупиковый путь? Что, если вся суть термоядерных реакций сводится не к получению энергии, а именно синтезу более тяжёлых элементов, а сам энергетический выход – это лишь побочный продукт главного процесса вселенной?
В этом случае мы пытаемся оптимизировать термоядерные процессы таким образом, чтобы этот побочный продукт стал первоочередным, а синтезированные элементы стали побочными.
По сути, мы так и делаем, ибо основная идея воплощения термоядерного синтеза – это получение энергии, а не синтез новых элементов…
А подобный подход вполне может быть тупиком с энергетической точки зрения при недостаточном объёме активной зоны термоядерного синтеза.
Термоядерные реакции в недрах звёзд запускаются при достижении критической массы вещества (в основном - водорода и гелия).
Критическая масса для начала слияния легких элементов равна примерно 13-80 массам Юпитера. Причём, чем больше масса звезды, тем активнее идут термоядерные процессы, а это сказывается на времени активного существования звёзд.
То есть в естественных условиях существует критическая масса вещества для запуска термоядерной реакции - так же, как существует критическая масса для запуска цепной реакции деления изотопов урана-235 (только для урана критическая масса составляет 50 кг).
50 масс Юпитера против веса стройной девушки...
Да, термоядерная реакция синтеза даёт больший выход энергии, чем реакция деления ядра, в пересчёте на массу вещества.
Так, один килограмм дейтерий-тритиевой смеси способен произвести примерно 337,32 тераджоуля энергии, в то время как реакция деления ядра - около 83,52 тераджоуля энергии. По сути, термоядерная реакция в 4 раза эффективнее реакции деления ядра, однако всё меняется, если пересчитать энергетический выход за один акт синтеза и деления.
Один акт синтеза дейтерия и трития дает энергетический выход в 17,6 МэВ, один акт деления ядра урана-235 выделяет 211,3 МэВ, что в 12 раз больше. Объясняется это количеством взаимодействующих в реакции нуклонов вещества – протонов и нейтронов в ядрах атомов.
При синтезе атом дейтерия, состоявший из двух нуклонов (протон и нейтрон), взаимодействуют с атомом трития, состоящего из трёх нуклонов (один протон и два нейтрона), выделяя конечную энергию в 17,6 МэВ, или по 3,52 МэВ на каждый нуклон.
В реакции деления ядра один нейтрон взаимодействует с атомом урана, состоящего из 235 нуклонов (92 протона и 143 нейтрона), выделяя общую энергию в 211,3 МэВ, или 0,895 МэВ на нуклон.
Собственно, не существует такой реакции термоядерного синтеза или даже цепочки реакции, которые бы давали столько же энергии, сколько один акт деления ядра урана-235.
То есть для получения аналогичного количества энергии в термоядерном реакторе нужно произвести реакцию синтеза 12 раз, когда в ядерном реакторе эта энергия выделяется за один акт деления.
Собственно, вся ядерная энергетика выстроена вокруг свойства тяжёлого ядра изотопа урана-235 поддерживать цепную ядерную реакцию, которая самопроизвольно начинается при концентрации урана-235 в шар диаметром в 17 см и массой 50 кг.
А что нужно для запуска реакции самоподдерживающегося термоядерного синтеза? Создать соответствующие условия, которые наблюдаются во взрыве термоядерных бомб, либо в недрах звёзд.
Ядерный синтез идёт с выделением энергии до тех пор, пока не будет синтезирован атом железа. Для дальнейшего синтеза более тяжёлых элементов требуется затрачивать дополнительную энергию. И чем тяжелее атомное ядро, тем больше энергии требуется для его синтеза.
Лёгкие элементы синтезируется в недрах звёзд на активном сроке их существования, когда звезда находится на стадии так называемой "главной последовательности". Более тяжёлые элементы синтезируются в результате взрывов звёзд, либо слияния нейтронных звёзд, которые тоже порождают взрывы с выделением энергии, превышающую светимость всех звёзд в галактике.
Чтобы синтезировать атом урана, требуются условия, создаваемые в результате слияния нейтронных звёзд и их последующего взрыва. Энергетические процессы при синтезе урана настолько мощны, что выделение энергии кратковременно превышает мощность излучения всех звезд в галактике.
Таким образом, в ядре урана уже заложена энергия реакции синтеза лёгких ядер, а также энергия взрыва сверхновой звезды.
Следовательно, реакция деления ядра – это самый простой метод получения энергии, которая создаётся за счёт ядерных реакций. Теоретически, исходя из средней энергии связи на нуклон, можно получать энергию путём деления тяжёлых элементов на более легкие, вплоть до железа.
На диаграмме указаны параметры энергии связи в атомах вещества на один нуклон. Чем больше энергия связи, тем стабильнее вещество.
Элементы с высокой энергией связи на нуклон, такие как железо и никель, уже не могут подвергаться делению, однако элементы с более низкой энергией связи, в том числе и лёгкие, могут подвергаться делению.
Например, изотоп лития-6 при захвате нейтрона делится на тритий и гелий с высвобождением 4,78 МэВ энергии. Изотоп лития-7, поглощая протон, распадается на два атома гелия с выходом 17,34 МэВ энергии. Собственно, подобными реакциями можно добиться более высокого выхода совокупной энергии при расщеплении тяжёлых ядер.
Да, разумеется, всё не так просто, как кажется. Многое зависит от взаимодействия нейтронов, протонов, альфа-частиц (атомов гелия) с веществом. Но это уже является технологической задачей - как качественно регулировать условия взаимодействия.
И вот тут возникает вопрос: более производительнее и успешнее в плане получения энергии будет многоэтапный процесс деления, либо термоядерный синтез?
По общему энергетическому выходу на нуклон многоэтапный процесс деления будет сопоставим по выходу энергии при слиянии ядер дейтерия и трития. Вот только происходить ядерные реакции деления будут в куда более щадящих условиях.
Повышение выгорания ядерного топлива через спектральное регулирование и начало перехода к замкнутому ядерному топливному циклу (ЗЯТЦ) – это только первые шаги к управляемому многоэтапному процессу деления атомного ядра.
Другими словами, современная ядерная энергетика, основанная на делении ядра урана на два осколка в виде новых химических элементов, является только первым шагом в получении ядерной энергии.
Это может быть реализовано в условиях нейтронного облучения, когда в процессе деления ядра наиболее вероятно будет образовываться больше нестабильных изотопов, которые, в свою очередь, тоже будут распадаться на уже стабильные, с выделением энергии.
Собственно, продуктами деления ядер урана-235 являются более 200 изотопов различных химических элементов, и управлять этим процессом мы пока не можем.
Часть 2 тут:
Постскриптум.
Статьи выходят благодаря поддержке подписчиков-спонсоров. Для спонсоров всегда открыто приватное обсуждение, все ссылки на источники и исследования используемые в основе моих статей. Спасибо друзья за поддержку канала!
Подписывайся на канал!
