Реализация термоядерного синтеза.
Прежде чем описывать условия, которые должны быть соблюдены для практического получения термоядерной энергии (т.е. в термоядерном "реакторе"), мы рассмотрим доказательства того, что ядерный синтез действительно возможен. Во-первых, термоядерный синтез является источником энергии Солнца и других звезд. Солнечное топливо - это не дейтерий, а обычный водород; в результате серии ядерных реакций четыре ядра водорода сливаются вместе, образуя ядро гелия. Однако есть веские основания утверждать, что солнечные процессы протекают слишком медленно, чтобы быть полезными на Земле. Например, на солнце способность генерировать энергию с высокой скоростью зависит от огромного количества присутствующего водорода.
Лабораторные эксперименты показали, что ядерный синтез может быть осуществлен с использованием дейтерия. Дейтроны (то есть ядра дейтерия) могут быть разогнаны до высокой скорости (и кинетической энергии) в ускорителе заряженных частиц, таком как циклотрон или аналогичная машина. Если эти дейтроны ударяются о твердую мишень, содержащую дейтерий, происходят термоядерные реакции. Лишь очень малая часть столкновений приводит к слиянию. В подавляющем большинстве случаев сталкивающийся дейтрон просто отклоняется (рассеивается) и в то же время теряет часть своей энергии, после чего становится практически неспособным к слиянию с другим дейтроном. По сути, большая часть энергии ускоренных дейтронов теряется в мишени в виде тепла. Следовательно, на ускорение дейтронов тратится гораздо больше энергии, чем образуется в результате небольшого числа термоядерных реакций, которые происходят. Хотя процедура ускорения не является основой что касается практического высвобождения энергии, то это показывает, что ядерный синтез между двумя ядрами дейтерия возможен. Наконец, ядерный синтез является источником большого количества энергии, выделяемой в так называемой водородной (или водородно-водородной) бомбе. Оружие этого типа содержит дейтерий в качестве одного из своих компонентов, а также ядерную бомбу, которая служит в качестве пускового устройства. Последняя обеспечивает энергию, необходимую для осуществления термоядерных реакций.
Требования к термоядерным реакциям.
Чтобы понять, как можно реализовать управляемый ядерный синтез давайте рассмотрим основные требования. Во-первых, два легких ядра должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы обеспечить взаимодействие. Поскольку каждое ядро несет положительный электрический заряд, по мере сближения два ядра все больше отталкиваются друг от друга. Следовательно, для взаимодействия ядер они должны обладать достаточной начальной энергией, чтобы преодолеть силу электростатического отталкивания, которая стремится разделить их. Величина силы отталкивания увеличивается с увеличением электрических зарядов двух ядер. Таким образом, чтобы это взаимодействие оставалось небольшим, взаимодействующие ядра должны иметь как можно меньший заряд (или атомный номер - это количество протонов в ядре.). Элементом с наименьшим атомным номером является водород, поскольку его ядра (и ядра его изотопов) несут только один заряд. Очевидным выбором для термоядерных реакций на земле является как раз таки водород. Тот факт, что он также дешев и широко распространен, является, конечно, преимуществом. Известны три изотопа водорода. Самым легким изотопом с массой, равной единице, является обычный водород - H. ядро атома этого изотопа называется протоном. Обычный водород - это изотоп, который подвергается термоядерному синтезу на Солнце. Следующий изотоп - дейтерий с массовым номером два, обозначаемый символом II или, чаще всего, символом D; его ядро, дейтрон, также обозначается символом D, хотя D+ используется, когда необходимо провести различие между нейтральным атомом и положительно заряженным ядром. Как упоминалось ранее, он содержится во всей природной воде и может быть извлечен без особых трудностей. Наконец, есть тритий, масса которого равна трем и обозначается как T; ядро называется атритон. Этот изотоп радиоактивен и очень редок в природе, но он может быть получен в результате взаимодействия нейтронов с ядрами лития.
Термоядерный синтез дейтерия и трития.
Процессы термоядерного синтеза с использованием дейтронов и тритонов протекают достаточно быстро, что позволяет использовать их для получения энергии с приемлемой скоростью. Таким образом, эти изотопы являются наиболее практичным термоядерным топливом. Из-за низкой стоимости и доступности дейтерия было бы предпочтительнее использовать только этот изотоп; в этом случае в процессе синтеза были бы задействованы только дейтроны. Известны две такие реакции, протекающие примерно с равной вероятностью; это: D+ D → 3Hе + n + 3,2 МэВ и D+ D → T+H+4,0МэВ,
Массовое число изотопа - это общее число протонов и нейтронов в ядре, где n обозначает нейтрон. Выделяемая энергия выражается в миллионах электрон-вольт (МэВ)У. В первой из этих двух реакций продуктами являются ядро гелия-3 и нейтрон, а во второй - тритон и водородное ядро (протон). Образовавшийся таким образом тритон может затем довольно быстро вступить в реакцию с другим дейтроном, то есть, D + T → He + n + 17,6 МэВ, что приводит к образованию гелия-4 (обычного гелия), ядра и нейтрона, а также значительному выделению энергии - 17,6 МэВ.
Слияние только дейтерия было бы предпочтительной реакцией для высвобождения энергии, но мы увидим, что условия, необходимые для практического осуществления этого процесса, очень сложны. Возможно, что эти условия можно было бы облегчить, добавив небольшую долю трития в так называемую "катализируемую" реакцию D-D. Однако в настоящее время существует общее мнение, что управляемый термоядерный синтез сначала будет осуществлен с помощью реакции между ядрами дейтерия и трития, в соответствии с D-T реакцией, приведенной выше. Поскольку в природных источниках энергия была бы недоступна, ее можно было бы получить искусственно путем взаимодействия нейтронов с ядрами лития. Для этой цели будут использованы нейтроны, выделяющиеся в ходе D-T-реакции. Следовательно, этот процесс называется "размножением" трития.
Сырьем для получения энергии в результате D-обработки, таким образом, будут дейтерий и литий. Более обширные ресурсы последнего доступны на суше по умеренной цене. Фактически, известных и обоснованно предполагаемых запасов в Соединенных Штатах хватит на сотни лет, а запасов, вероятно, хватит и на несколько тысяч лет. Еще большее количество лития содержится в океанах, но прежде чем запасы лития на суше будут исчерпаны, необходимо создать условия для синтеза только дейтерия.
*Электрон-вольт (эВ) - это энергия, получаемая единичным (электронным) зарядом при ускорении через потенциал в I вольт. Единица измерения МэВ (миллион электрон-вольт) эквивалентна 1,60 x IV эрг или 3,8 x IV* калории.
Наглядное представление трех процессов термоядерного синтеза, представляющих непосредственный интерес, приведено на рисунке 1, где показаны различия между составляющими нейтронами (n) и протонами (p). Дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона, а тритон - из одного протона и двух нейтронов. Выделяемая энергия проявляется в виде кинетической энергии и делится между двумя продуктами обратно пропорционально их массам. Указано количество энергии, содержащейся в каждом из продуктов. В реакции между ядрами дейтерия и трития около 80% энергии термоядерного синтеза связано с нейтроном, который не обладает электрическим зарядом.
Рисунок 1. Реакции термоядерного синтеза с ядрами дейтерия (D) и трития (T). Цифры указывают, как энергия термоядерного синтеза распределяется между продуктами в каждом конкретном случае. Нейтроны (n)электрически не заряжены, но другие продукты несут электрические заряды.
В дополнение к только что описанным трем термоядерным реакциям, которые включают только изотопы водорода, также представляет некоторый интерес реакция ядерного синтеза между дейтерием и гелием-3, а именно,
D + 3He → 4He + H + 18,3 МэВ.
Необходимый для этого процесса гелий-3 образуется в результате первой из реакций D-D. Оба продукта, 4не и H, несут электрические заряды. Требуется высокая энергия на данный момент мы установили, что ядерные реакции в основной интерес для контролируемого высвобождения термоядерной энергии представляет либо сам дейтерий, дейтерий и тритий, либо дейтерий и гелий-3. Силы отталкивания между этими легкими ядрами являются минимально возможными, и можно ожидать, что возникающие в результате реакции будут происходить с разумной скоростью. Следующий вопрос, который следует рассмотреть, заключается в том, как придать ядрам достаточно энергии, чтобы они могли преодолеть силы отталкивания. Один из очевидных способов - использовать ускоритель и твердую мишень, как описано ранее. Но мы увидели, что эта процедура отнимает слишком много энергии, чтобы быть полезной на практике ценность. Однако он широко использовался в лабораторных условиях для изучения вероятностей (ядерных сечений) реакций D-D и D-T. Большая часть того, что сейчас известно об условиях, при которых будут протекать эти реакции, была определена таким образом. Другим способом обеспечения ядер энергией является повышение температуры газа, состоящего из изотопа (дейтерия) или изотопов (дейтерия и трития), которые должны подвергнуться слиянию. Кинетическая энергия атома (или ядра) пропорционально равна его абсолютной температуре; следовательно, необходимо лишь достичь достаточно высокой температуры, чтобы обеспечить протекание термоядерных реакций. Именно это и происходит на солнце. На первый взгляд может показаться, что ситуация чем-то похожа на ту, при которой частицы ускоряются. Однако, если ядра каким-то образом ограничены, так что они не могут вырваться, последствия будут совсем другими. Хотя многие ядерные столкновения в высокотемпературной системе приводят к рассеянию, а не к термоядерному синтезу, результатом является перераспределение энергии, а не ее потеря. Температура и средняя энергия остаются неизменными. В замкнутом пространстве ядра, движущиеся в произвольных направлениях, будут постоянно сталкиваться, пока не начнутся термоядерные реакции.