Седов Антон Сергеевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института прикладной физики РАН
Проблема, о которой будет идти речь в данной статье, — это так называемая задача термоядерного синтеза или, если говорить проще: как в земных условиях запустить реакции, подобные тем, что идут на Солнце и других звездах, при этом не взорвав установку.
Но обо всем по порядку. Во-первых, давайте разберемся, как работает само Солнце, поскольку оно для нас является основным источником энергии, согревает планету, из-за его энергии растут растения, происходит фотосинтез и выделение кислорода и так далее, то есть без Солнца не смогла быть существовать жизнь на нашей планете в привычном нам виде. Дело в том, что Солнце представляет собой большое скопление газа (в основном водорода), и чем глубже внутрь Солнца мы будем мысленно проникать, тем вещество будет становится более горячим и очень плотным. Для сравнения один литр солнечного вещества в недрах Солнца, или, как его называют, в солнечном ядре, весит порядка 150 кг, а температура достигает четырнадцати миллионов градусов. Такие экстремальные условия привели к тому, что в один момент, при достижении критических значений в недрах Солнца запустилась термоядерная реакция, которая по сути является реакцией синтеза более тяжелых элементов из более легких. Самая основная реакция синтеза на Солнце — это превращения водорода в гелий, однако происходят и более сложные реакции по синтезу более тяжелых элементов, даже металлов. При этом выделяется большое количество энергии, которая в конечном счете и доходит до Земли в виде солнечного излучения.
Таким образом, первый вопрос, который надо решить, это как нагреть вещество на Земле до таких высоких температур (при этом мы не можем достигнуть плотностей вещества, как на Солнце, поэтому температуры должны быть еще выше до сотен миллионов градусов). Второй вопрос: как удержать такое горячее вещество, ведь оно может прожечь или проплавить стенки любой камеры, где мы хотим запустить термоядерную реакцию.
Начнем со второй проблемы. В середине прошлого века было высказано предположение о возможности применения сильного магнитного поля для удержания ионизированного газа (поскольку при таких высоких температурах происходит сильная ионизация вещества и оно становится плазмой). Самые популярные установки, работающие по данному принципу, называются токамаки, что является сокращением от словосочетания «тороидальная камера с магнитными катушками». В настоящее время построено и строится несколько токамаков по всему миру, самый основной из них — в рамках проекта ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор), который расположен во Франции. Проект ITER объединяет наиболее передовые научные страны — туда входят Россия, Китай, США, страны Евросоюза, Япония, Южная Корея, Индия. Каждая страна вносит свой вклад денежными средствами и оборудованием. В настоящее время построены залы для данного реактора, и они потихоньку начинают заполняться оборудованием, привезенным со всего мира, в том числе и из Нижнего Новгорода, но об этом далее.
Теперь вернемся к проблеме нагрева вещества до таких больших температур — десятков и сотен миллионов градусов. Понятно, что простыми средствами таких температур не достичь, ведь температура открытого огня или, например, сварки — это максимум тысячи градусов. Оказалось, что лучшим способом является нагрев с помощью микроволнового излучения, как это происходит в микроволновке, когда излучение СВЧ-диапазона поглощается в вашем бутерброде или чашке чая. И здесь нашел свое применение прибор под названием гиротрон, который был впервые сделан более 50 лет назад в Нижнем Новгороде. Гиротрон — это электровакуумный прибор, относящийся к классу мазеров на циклотронном резонансе. Гиротроны используются для многих научных и технологических задач, включая производство новых материалов, в том числе искусственных алмазов, создания пучков заряженных и нейтральных частиц, спектроскопии высокого разрешения. Но самым главным применением гиротронов все-таки стал нагрев вещества в установках управляемого термоядерного синтеза. Дело в том, что, благодаря заложенным в этом приборе физическим принципам, а также большому количеству инженерных улучшений и ноу-хау, гиротрон может генерировать излучение мощностью около одного мегаватта в практически непрерывном режиме. Для сравнения уже упоминавшаяся обычная бытовая микроволновка генерирует мощность примерно в 1000 раз меньше. Но даже и такой мощности не хватает для осуществления термоядерной реакции, при которой был бы положительный выход энергии, поэтому, например, на упоминавшемся выше проекте ITER планируется поставить 24 гиротрона, 8 из которых были заказаны России и были сделаны и испытаны в Нижнем Новгороде.
Таким образом, работы по созданию своей собственной маленькой звезды и получению дешевого и экологически чистого источника энергии продолжаются, и стоит надеяться, что в ближайшем будущем вы увидим результаты этих исследований.
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
