На вопрос отвечает старший научный сотрудник Политехнического музея, кандидат физико-математических наук Майя Коршунова.
Реализация управляемого термоядерного синтеза уже много десятилетий остаётся непокорённой вершиной физики. И фраза «до осуществления термоядерного синтеза осталось 20 лет» давно стала фольклорной. Разберёмся, что такое термоядерный синтез, почему к нему стремятся столько лет и какие препятствия стоят на пути учёных.
Что такое термоядерный синтез и чем он хорош?
Термоядерный синтез — это процесс, когда два лёгких атомных ядра объединяются в одно более тяжёлое с высвобождением колоссального количества энергии, в четыре миллиона раз больше, чем при сжигании нефти или угля.
Если сравнить энерговыделение самых «популярных» реакций ядерного деления и термоядерного синтеза, может возникнуть вопрос: зачем нужен синтез, когда на одну реакцию деления энергии выделяется в 10 раз больше? Да, это так, но в реакции деления суммарно участвуют 236 элементарных частиц, а в реакции синтеза — всего 5, поэтому на килограмм вещества получается в четыре раза больше энергии.
Механизмы запуска и поддержания реакций термоядерного синтеза исключают возникновение разрушительных аварий, а в самих реакциях не образуются опасные радиоактивные изотопы. Звучит очень воодушевляюще. Но что нужно, чтобы такие реакции возникли?
Условия осуществления термоядерного синтеза
Так как ядра положительно заряжены, они испытывают электростатическое отталкивание. Чтобы произошла реакция синтеза, отталкивание нужно преодолеть. Для этого требуется увеличить вероятность столкновения ядер, придав им высокую кинетическую энергию, то есть высокую скорость теплового движения. Получается, чтобы осуществить синтез, вещество следует нагреть — очень сильно, до сотен миллионов градусов. Именно это отражается в термине «термоядерный синтез». В таком состоянии вещество называют плазмой. Чтобы осуществить синтез, нужно не только получить плазму с огромной температурой, но и удержать её от контакта с любой поверхностью, иначе всё просто расплавится.
Возможно, вы слышали, что Солнце светит благодаря термоядерному синтезу. В случае с Солнцем удерживать плазму позволяет огромная гравитация. А как создать условия для таких реакций на Земле?
Разогреть и удержать плазму
Для начала необходимо разогреть плазму до сотен миллионов градусов. Это кажется невероятным, но если связать температуру с энергией (для этого физики используют величину электронвольт, эВ), получится, что необходимо 10–15 кэВ. По сравнению с величинами, которые создают на ускорителях частиц, — сотнями МэВ, — это совсем немного. Поскольку плазма — сильно разогретый газ, она состоит из ионов и электронов, то есть заряженных частиц. Это важное свойство позволяет нагревать плазму, пропуская через неё электрический ток.
Два самых популярных способа удержания разогретой плазмы — инерциальный и магнитный. К первому мы вернёмся чуть позже. Второй использует магнитное поле: если приложить его к заряженным частицам, сила Лоренца заставит их двигаться вдоль него. Магнитное удержание — наиболее распространённый метод среди строящихся реакторов термоядерного синтеза. Например, он осуществляется в известных многим токамаках — к тому же типу относится и строящийся реактор ITER. В токамаках учёные получали плазму ещё в 1960-х, но длительному удержанию препятствовала её неустойчивость.
Препятствие №1. Неустойчивость плазмы
Сама плазма создаёт вокруг себя электромагнитные поля. Её поведение описывается весьма сложной теорией магнитогидродинамики. Даже лёгкие отклонения или дефекты на поверхности плазмы быстро выходят из-под контроля, приводя к её неустойчивости, например, «сосисочной» — такой термин действительно существует. Для понимания механизмов возникновения неустойчивостей и методов их подавления потребовалось много исследований. В современных установках для стабилизации плазмы, например, создают магнитные поля особой конфигурации. Это приводит к дополнительному расходованию энергии.
Препятствие №2. Материалы реакторов и пыль
Нужно постараться найти материалы, которые останутся целы после воздействия таких высоких температур, ведь от нагретой в сотни миллионов градусов плазмы исходят огромные потоки теплового излучения. Несмотря на удержание, плазма может просачиваться к стенке и распылять её материал. По оценкам учёных из Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, в строящемся ITER могут образовываться сотни килограммов такой пыли. Тяжёлые атомы материала стенки загрязняют плазму, а это приводит к потерям энергии. Поэтому помимо тугоплавкого вольфрама в качестве материалов стенки рассматриваются и лёгкие литий и берилий.
Нагрев не единственная трудность. Частью процесса термоядерного синтеза является высвобождение нейтронов, которые попадают в стенку термоядерного реактора независимо от того, насколько хорошо магнитное поле может удерживать термоядерное топливо. Это приводит к охрупчиванию стенки реактора, из-за чего потребуется её частая замена, а это негативно влияет на экономическую рентабельность реактора. К тому же, чтобы испытывать материалы в подобных условиях, требуется дополнительно создавать специальные установки.
Препятствие №3. Магниты
Чтобы удерживать плазму, нужны очень сильные магнитные поля, которые создают при помощи сверхпроводящих магнитов. Такие свойства магниты приобретают при очень низких температурах, а перегрев всего на пару градусов может критически повлиять на проводимость. Представьте: с одной стороны токамака тысячи градусов, а с другой — единицы. К тому же такие сильные магнитные поля создают механические напряжения в сверхпроводящих обмотках, а известные сверхпроводники хрупкие.
Можно обойтись и без магнитов, как в первом упомянутом способе удержания плазмы — инерциальном. Он подразумевает сжатие и нагрев плазмы за миллиардные доли секунды при помощи лазера. В прошлом году физикам удалось запустить термоядерный синтез таким методом, но и здесь есть проблемы. Самая очевидная — КПД лазерных систем: не более 10% энергии, затраченной на генерацию лазерного импульса, используется для термоядерного синтеза.
Про топливо
Поскольку сила отталкивания ядер напрямую зависит от их атомной массы, чем легче будут используемые вещества, тем меньшие температуры нужно создать для запуска реакции. Поэтому с данной точки зрения наиболее удобно использовать как топливо дейтерий и тритий. Дейтерия на нашей планете очень много, а вот трития — нет. Восполнить ограниченность его запасов можно при помощи ядерных реакций лития, но есть и другой существенный минус — тритий радиоактивен, период его полураспада — 12,5 лет. Это требует обеспечения радиационной безопасности. Поэтому с развитием технологий планируется переход к другим веществам. Из экстравагантных идей — использование гелия-3, которого много на Луне.
Что у нас уже получилось?
Нельзя сказать, что с момента идеи осуществления управляемого термоядерного синтеза учёные стоят на месте: в 1958 году проект ZETA удерживал плазму с температурой 5 миллионов градусов в течение нескольких тысячных долей секунды, рекорд наших дней — проект EAST — 120 миллионов градусов Кельвина в течение 101 секунды.
Управляемый термоядерный синтез — очень сложная задача. Она требует решения не только многих фундаментальных, но и прикладных вопросов. С увеличением температур и масштабов реактора они многократно увеличиваются, поэтому сроки осуществления управляемого термоядерного синтеза часто сдвигаются. Но согласитесь: технология, благодаря которой несколько граммов топлива могут в течение суток обеспечивать электроэнергией город-миллионник — например, Новосибирск, — того стоит.
Если и у вас есть вопросы к учёным об устройстве мира или человека, задавайте их в комментариях или по электронной почте question@polytech.one