Каждую секунду в Солнце 700 миллионов тонн водорода превращаются в 695 миллионов тонн гелия путем реакции ядерного синтеза. Оставшиеся пять миллионов превращаются в 386 петаватт энергии (то есть 386 миллиардов мегаватт). При этом все человечество за весь 2019 год использовало 22,5 тераватт-часа энергии, то есть в 17 тысяч раз меньше. Короче говоря, было бы здорово зажечь на Земле свое уютное маленькое солнышко, которое бы обеспечивало планету экологически чистой электроэнергией. Но воспроизвести Солнце так сложно и так дорого, что строительство термоядерных электростанций может оказаться слишком затратным для коммерческой эксплуатации.
Масса превращается… в энергию!
Ядерный синтез — это процесс слияния ядер более легких элементов с образованием более тяжелых. Ядро состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (не имеющих заряда). Поэтому при нормальных условиях ядра ни за что не будут сливаться — между ними действуют кулоновские силы, которые отталкивают одноименные заряды. А чтобы ядра слились, они должны оказаться на очень близком расстоянии друг от друга — меньше фемтометра (это 10-15 метров). Тогда кулоновские силы оказываются слабее сильного взаимодействия, удерживающего протоны и нейтроны в ядре, и протоны притягиваются друг к другу, невзирая на свою одноименность.
Откуда же берется энергия? Экспериментально было доказано, что масса атомного ядра меньше, чем сумма масс нуклонов, которые его составляют. Это явление называется дефектом массы. Поэтому, когда из частиц получается новое ядро, часть их массы превращается в энергию. Именно эту взаимосвязь массы и энергии описывает знаменитая формула E = mc2.
Будьте ближе друг к другу
Итак, наша задача — воспроизвести процессы, которые происходят в недрах звезд. Для начала скажем, что большинство звезд во Вселенной, включая наше Солнце, состоят из плазмы. Это четвертое агрегатное состояние вещества представляет собой ионизированный газ, в котором находятся положительно заряженные ядра атомов и свободные отрицательно заряженные электроны. При этом плазма — это очень плотное вещество, поэтому ядра в ней находятся очень близко друг к другу. Из-за высокой температуры они быстро двигаются, а значит, с высокой вероятностью ударяются друг о друга. В результате этих ударов большинство ядер сливаются, иными словами, происходит ядерный синтез.
В недрах звезд за образование плазмы отвечают очень-очень большая гравитация и очень-очень высокая температура. На Земле мы пока не умеем манипулировать гравитационными полями, так что методика звезд нам недоступна. Однако создавать плазму мы можем, повышая температуру вещества до нескольких миллионов градусов. Именно поэтому управляемы синтез не просто ядерный, а термоядерный.
Нужно соответствовать
Но нам нужен не просто термоядерный синтез. Нам необходимо, чтобы в результате мы получили от реактора больше энергии, чем затратили на повышение температуры и запуск реакции. В принципе, это основная проблема именно коммерческой эксплуатации термоядерного реактора. В остальном собрать термоядерный реактор не составляет труда. Например, старшеклассники из американского города Федерал Уэй, штат Вашингтон собрали простой ядерный реактор — фузор Франсуорта — Хирша, который был разработан еще в 1964 году. Детали для него купили на eBay.
Чтобы понять, будет ли пригодна конкретная схема термоядерного реактора и конкретное топливо для коммерческой эксплуатации, нужно выяснить, выполняется ли критерий Лоусона. Он определяет минимальную количество слияний в секунду, которая нужна для поддержания устойчивой реакции. Чтобы термоядерный реактор вырабатывал энергию, нужно, чтобы выполнялось следующее неравенство: Nt > 1020, где N — количество частиц в кубическом метре, а t — время удержания плазмы в секундах. Инженеры и ученые постоянно ищут компромисс между N и t, чтобы определить наилучшее сочетание параметров топлива и конструкции реактора.
В качестве топлива для термоядерных реакторов предлагаются разные варианты — но все они подсказаны Солнцем. В звезде все происходит довольно сложно, в земных реакторах есть варианты. Они различаются сложностью получения топлива, требуемой температурой, наличием нейтронной радиации. Так, наиболее низкая температура необходима для слияния дейтерия и трития — тяжелого и сверхтяжелого изотопов водорода. Но тритий стоит дорого, плюс в результате реакции образуется ядро гелия-4 и нейтрон с высокой энергией, а значит, выходит нейтронная радиация, губительная для всего живого и разрушающая сам реактор. Чтобы удешевить процесс, можно использовать реакции между ядрами дейтерия, но идут они трудно. Перспективным вариантом считаются реакции дейтерия с гелием-3, она в том числе не порождает нейтронной радиации (но это неточно, потому что какое-то количество дейтерия будет реагировать с другими ядрами дейтерия). К тому же гелий-3 очень редко встречается на Земле. В перспективе его, возможно, получится добывать на Луне, но это опять-таки неточно (и технически сложно).
Как удержать?
Плазма очень горячая, поэтому никакой материал ее не выдержит. Но нам на помощь приходит другое ее свойство — квазинейтральность. Это означает, что в большом объеме плазма нейтральна. Но на деле она состоит из заряженных частиц. Соответственно, на них можно влиять электромагнитным полем. Поэтому термоядерного синтеза помещают в камеру, окруженную мощными магнитами, и начинают повышать температуру. По закону Джоуля — Ленца плазма нагревается сама по себе, но также используют микроволновое излучение. А когда в реакторе начинается термоядерный синтез, то он тоже приводит к увеличению температуры — и тут уже время думать, как отводить тепло.
По мере нагревания силовые линии электромагнитного поля становятся плотнее, а горячая плазма концентрируется в середине ловушки. Такие ловушки делают замкнутыми, чтобы удерживать ионы от разлета.
Самая популярная форма магнитных ловушек — тор (то есть бублик). Такие реакторы называют токамак — от словосочетания «тороидальная камера с магнитной катушкой». Большинство экспериментов в этом направлении проводятся именно на токамаках. Строящийся сейчас во Франции экспериментальный реактор ИТЭР, который призван продемонстрировать возможно коммерческого получения термоядерной энергии, тоже токамак.
Другая разновидность магнитных ловушек — стелларатор — известна давно, но популярна становится только с начала XXI века. Дело в том, что для функционирования магнитной ловушки нужно точно рассчитать направление магнитных линий. Для токамака это сделать намного проще, чем для стелларатора, ведь в последнем они образуют систему вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей. Только с развитием вычислительной технике появилась возможность делать достаточно сложные расчеты для строительства стелларатора.
Магнитные ловушки — не единственный вариант. Если плазму нагревать очень быстро и очень равномерно, то частицы в ней успеют прореагировать до разлета. Такая система называется инерциальным удержанием.
В любом случае, ближе всего к реализации подошли токамаки — один из них, упомянутый ИТЭР, уже строится во Франции. Однако будущее термоядерной энергетики все еще кажется неуверенным. Термоядерные реакторы сложные, дорогие в постройке и обслуживании. И пока что не предвидится прорыва, который бы сделал технологию значительно дешевле.