Термоядерный реактор - это устройство, в котором пытаются воспроизвести процесс, происходящий на Солнце, соединение лёгких атомов (например, водорода) с высвобождением огромного количества энергии. Пока такие реакторы не производят электроэнергию в промышленных масштабах, но крупные установки, такие как ITER (Франция), позволит показать реальные результаты.
1. Цель: слияние ядер, а не их деление
В отличие от обычных атомных реакторов, где тяжёлые ядра распадаются, в термоядерных реакторах лёгкие ядра соединяются.
Наиболее перспективная реакция:
Дейтерий (²H) + Тритий (³H) → Гелий-4 (⁴He) + нейтрон + энергия
- Дейтерий - тяжёлый водород, который содержится в обычной воде (один атом на 6500 атомов водорода).
- Тритий - редкий элемент, но его можно создавать внутри самого реактора.
2. Необходимая температура: 100-150 миллионов градусов
При таких температурах вещество превращается в плазму - четвёртое состояние материи, в котором электроны отделены от ядер и всё это напоминает кипящий «суп» из частиц.
Это в 10 раз горячее центра Солнца, но если на Солнце помогает гравитация, то у нас - технологии.
3. Удержание плазмы: магнитное поле
Никакой материал не выдержит контакта с такой горячей плазмой - она мгновенно испарит любую стену. Хотя существуют диверторы (вольфрамовые пластины), которые непосредственно контактируют с краями плазмы. Они не «испаряются мгновенно» благодаря специальной конструкции отвода тепла, но в любом случае они не смогут долгое время сдерживать плазму. Поэтому её основную массу удерживают с помощью магнитных полей.
Самый распространённый тип реактора - токамак (тороидальная магнитная камера):
- Внутри - вакуумная камера в форме бублика (тора).
- По внешнему периметру камеры проходят катушки, через которые пропускают электрический ток, создавая мощное магнитное поле.
- Это поле удерживает плазму, не давая ей коснуться стенок.
- Пример: EAST (Китай) - «искусственное солнце» температура: 160 миллионов °C (температура больше чем в центре солнца), длительность удержания при этой температуре более 20 секунд.
4. Как нагреть плазму до 150 миллионов градусов?
Используют три метода:
- Омический нагрев: через плазму пропускают мощный электрический ток.
- Нейтральная инжекция: в плазму вводят быстрые нейтральные атомы, передающие энергию.
- ВЧ-нагрев: как в микроволновой печи, но мощнее радиоволны «раскачивают» частицы.
5. Получение энергии
При слиянии дейтерия и трития:
- Образуются гелий и быстрый нейтрон.
- Поскольку нейтрон не имеет заряда, он не удерживается магнитным полем и вылетает из плазмы, попадая в литиевую бланкет-оболочку, окружающую камеру.
В оболочке:
- Нейтрон передаёт энергию, нагревая её;
- Тепло от оболочки передаётся теплоносителю (воде, гелию или соли);
- Затем тепло направляется в парогенератор → турбину → генератор → производство электроэнергии.
Кроме того:
- Литий в оболочке поглощает нейтроны и превращается в тритий и топливо возобновляется.
6. Пример: ITER (международный проект)
- Место: Кадараш, Франция.
- Участники: ЕС, США, Россия, Китай, Индия, Япония, Южная Корея.
- Цель: достичь мощности в 500 МВт при затратах в 50 МВт (соотношение 10:1).
- Запуск: полномасштабные эксперименты планируют провести 2034- 2036 год. Полномасштабные дейтерий-тритиевые операции - в районе 2039 года.
Помимо токамака, который является самым распространённым типом термоядерного реактора, существуют и альтернативные концепции, такие как стелларатор и лазерный термоядерный синтез. Они решают одну и ту же задачу - удержать и нагреть плазму для слияния ядер, но совершенно разными способами.
Стелларатор:
- Форма вакуумной камеры - закрученный тор (бублик, выгнутый по спирали).
- Магнитные катушки имеют сложную 3D-форму, чтобы создать устойчивое магнитное поле, удерживающее плазму.
- Плазма удерживается постоянно, без импульсов.
- Пример - Wendelstein 7-X (Германия) - крупнейший в мире стелларатор. Уже достиг температуры 80 миллионов °C и удерживал плазму до 100 секунд.
Лазерный термоядерный синтез(Инерциальный синтез):
- Вместо магнитов - мощные лазеры, которые за доли наносекунды сжимают и нагревают крошечную капсулу с топливом (дейтерий-тритий) до условий, при которых происходит синтез.
- В центре камеры - микроскопическая таблетка (пеллет) из замороженного дейтерия и трития (размером с горошину).
- Десятки или сотни лазеров одновременно бьют по этой таблетке.
- Внешний слой таблетки мгновенно испаряется, и по закону реактивного движения внутренняя часть сжимается (как будто её вдавливают изнутри).
- В центре создаются огромное давление и температура - начинается термоядерная реакция.Этот метод называется инерциальным удержанием, потому что реакция длится микросекунды, но за это время ядра не успевают разлететься - инерция удерживает их.
- Пример: NIF (National Ignition Facility) - США. В декабре 2022 года впервые достигнут энергетический выход >1: 2,05 МДж вышло при 2,05 МДж вложено (позднее - до 3,88 МДж при 2,05 МДж). Это прорыв, но пока - только в лаборатории.
Преимущества термоядерного реактора:
- Доступное топливо: дейтерий можно добывать из воды, а литий - из земной коры, хотя запасы лития и ограничены.
- Минимум радиоактивных отходов: гелий безопасен, а оболочка активируется слабо и лишь на короткое время.
- Безопасность: при сбое плазма быстро охлаждается и реакция останавливается сама.
- Отсутствие выбросов CO₂: это экологически чистая энергия.
Трудности:
- Огромные затраты: к примеру строительство ITER уже обошлось более чем в 20 миллиардов евро и планируется увеличение бюджета до 25 миллиардов евро.
- Сложные инженерные решения: требуются мощные магниты, вакуум и материалы, способные выдержать экстремальные условия.
- Пока не достигнута самоподдерживающаяся реакция (когда реактор производит больше энергии, чем потребляет).
Заключение:
Термоядерный реактор - это попытка создать мини-Солнце на Земле. Если учёным удастся запустить и стабилизировать такую реакцию, человечество получит практически неисчерпаемый, чистый и безопасный источник энергии.
«Симуэль» - где наука становится будущим. Подписывайтесь. Пока вы ещё можете это понять.