Уже больше года назад я опубликовал комментарий под постом о термоядерном реакторе в Великобритании, после чего у меня появилось несколько подписчиков. В том комментарии я написал, что могу рассказать по теме термоядерных реакторов более подробно, если это будет интересно. И вот, более чем через год, я наконец решился написать небольшую серию постов на эту тему. Сразу предупреждаю, пишу я медленно, поэтому буду публиковать посты нерегулярно, но постараюсь уложиться за месяц. Темой первого поста станет физика процесса термоядерного синтеза, а также немного истории. В следующих постах я расскажу об истории термоядерной энергетики, проекте ITER и других проектах в этой области. Буду стараться писать максимально доступным языком и разжёвывать все основные понятия.
Сложно поверить, но большая часть электроэнергии на Земле вырабатывается за счёт термоядерных реакций. Тепловая, солнечная, ветряная энергетики лишь извлекают тем или иным способом энергию, производимую (или произведённую в прошлом) огромным термоядерным реактором - Солнцем.
Собственно, древнейший термоядерный реактор в Солнечной системе
Мечта сотворить звезду на Земле преследует человечество с давних времён. И это удалось - 1 ноября 1952 года был взорван Ivy Mike - первое термоядерное устройство.
И уже не очень
Звезда наконец зажглась на Земле, практически мгновенно переработала всё имеющееся топливо и погасла. Однако как-либо управлять этим процессом было невозможно, а значит и практической, с точки зрения энергетики, ценности такая "звезда" не имеет. Даже сейчас, в век технологий и невероятных изобретений, мы слишком мало знаем об основной составляющей звёзд - плазме. Плазма - ионизированный газ, он состоит из положительно заряженных частиц - ионов, и отрицательно заряженных - электронов. Её поведение практически не поддается расчёту, что и привело к тому, что мы до сих пор не построили действующий термоядерный реактор.
Для начала углубимся в историю. С начала времён Солнце имело мифологическую сущность. Древние люди считали Солнце богом (либо каким-то устройством, например колесницей Гелиоса).
Представления о Солнце у разных народов. Слева направа, сверху вниз: Египтяне (Ра), Греки и Римляне (Гелиос и Сол, Солнце - колесница), индуисты (Шива), праиндоевропейцы (солнечная повозка)
Одним из первых, кто усомнился в правдивости мифологического взгляда на сущность звезды был греческий философ Анаксагор в V веке до нашей эры. Он представлял Солнце огромным раскалённым шаром. За это его приговорили к смерти, которую он избежал лишь после вмешательства Перикла. В начале XIX века, после изобретения спектрометрии, было обнаружено, что Солнце состоит преимущественно из двух элементов - водорода и ещё одного неизвестного элемента, названного в честь бога Солнца Гелиоса гелием. Появилась теория, что солнце нагревается из-за постоянной бомбардировки метеоритами. Но при необходимой интенсивности бомбардировок горела бы в том числе и Земля, да и масса Солнца должна была неуклонно расти, что сказалось бы и на движении планет, поэтому эта теория была отброшена. Следующей была теория, созданная и развитая Гельмгольцем и лордом Кельвином - теория гравитационного сжатия. Согласно этой теории, Солнце должно существовать не более чем 20 миллионов лет. Однако это не согласовывалось с возрастом Земли, уже тогда его оценивали более чем в 300 миллионов лет. Резерфорд предположил, что Солнце нагревается из-за происходящих внутри реакция радиоактивного распада. Наконец, в 1920 году Артур Эдингтон предположил, что на Солнце (а точнее внутри) происходят реакции слияния протонов с образованием гелия. Дальнейшие исследования подтвердили эту теорию.
Так что же происходит внутри звёзд? Как было сказано выше, вещество на Солнце находится в состоянии плазмы. При слиянии двух протонов (ядер водорода) образуется ядро дейтерия (то есть ядро водорода, состоящее из одного протона и одного нейтрона), позитрон и нейтрино. Ядро дейтерия может снова слиться с протоном, образуя ядро гелия-3 и фотон. При слиянии двух ядер гелия-3 образуется более привычный нам гелий-4 (или просто гелий, тот, который закачивают в воздушные шарики и позволяет говорить смешным голосом) и два протона.
Схематичное изображение реакции
Однако масса изначальных шести протонов больше массы получившихся частиц. Куда же делась эта масса? Здесь следует вспомнить общеизвестную формулу старика Эйнштейна:
Изменение массы перешло в энергию. Всего выделилось около 18 мегаэлектронвольт энергии. Много это, или мало? Чтобы вскипятить литр воды от комнатной температуры до кипения нужно около 2 квинтиллиона (число с восемнадцатью нулями) мегаэлектронвольт. Казалось бы - ничтожно мало - в 100 квадриллионов (число с 15 нулями) раз меньше чем нужно! Однако на Солнце каждую секунду происходит примерно 50 ундециллионов (здесь уже 36 нулей!) таких реакций. Более чем достаточно. На Солнце происходят и другие реакции, мы их рассматривать не будем.
Как повторить это на Земле? Как мы можем видеть, для реакции, подобной солнечной, необходим водород. С этим в общем-то нет никаких проблем, каждый школьник видел получение водорода на уроках химии. С другой стороны, первый этап данной реакции - получение дейтерия - крайне маловероятен. Для масштабов Солнца это не является проблемой, но для маленьких земных реакторов это практически непреодолимая проблема. Здесь нам на помощь приходит тяжёлая вода. Тяжёлая вода - молекула воды, в которой один (для полутяжёлой воды) или оба (для, собственно, тяжёлой воды) атома водорода-1 (обычного водорода, или как его ещё называют, протия) заменяются на атомы водорода-2 (дейтерия). Концентрация тяжёлой воды довольно велика - примерно на 3200 молекул обычной воды приходится 1 молекула тяжёлой. Выделить её не составляет труда, сейчас тяжёлая вода добывается в промышленных масштабах (в основном в Канаде, их ядерные реакторы используют тяжёлую, а не обычную воду в качестве замедлителя). Однако второй этап реакции - слияние дейтерия и протона - также маловероятный процесс. Можно, конечно, сразу перейти к последнему, самому энергетически выгодному этапу - слиянию двух атомов гелия-3, однако на Земле его нет. Зато он в избытке имеется на Луне, куда он прилетает с Солнца, что и является не последней причиной возрастания в последнее время интереса к нашему естественному спутнику. Но это будущее, а хотелось бы получить термоядерную энергию сейчас. Здесь нам приходит на помощь дейтерий-тритиевая реакция - слияние ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия-4 и нейтрона.
Тритий - ещё один изотоп водорода, состоит из одного протона и двух нейтронов, а не одного, как в дейтерии. Трития практически нет на Земле, однако его можно получить, облучив потоком нейтронов литий. Лития на нашей планете довольно много, да и одним из продуктов дейтерий-тритиевой реакции является нейтрон - реактор может производить для себя топливо! Сейчас это наиболее перспективный вариант, именно так энергию будет вырабатывать ITER.
А теперь о грустном. В начале поста я соврал, что нам не удалось управлять этой реакцией. Удалось, и довольно давно - после постройки первого токамака - в 1954 году. Однако энергия, необходимая для поддержания реакции значительно превосходила энергию, которая выделялась при реакции. Ни один ныне существующий реактор до сих пор не преодолел это ограничение. Ещё одной проблемой является сама реакция. Если мы соберём водород в каком-то сосуде и будем долго ждать, реакция не начнётся никогда. Даже если мы нагреем его до температуры, необходимой для полной ионизации (то есть чтобы разделить все нейтральные атомы водорода на протоны и электроны), а это несколько тысяч градусов, реакция всё равно не начнется. Этому мешают два обстоятельства - кулоновский барьер и сечение взаимодействия. Из школьной физики известно, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Протоны имеют положительный заряд, поэтому нужно приложить силу, чтобы преодолеть это отталкивание, называемое кулоновским барьером и войти в зону действия сил, связывающих воедино протоны и нейтроны в ядре. Здесь нам понадобятся ещё четыре формулы из школьной физики для кинетической энергии а также формулы для кулоновской силы и второй закон Ньютона:
Две формулы для кинетической энергии, закон Кулона, второй закон Ньютона
Если приравнять первые две формулы, можно узнать, что температура есть ничто иное, как характеристика скорости! То есть увеличивая температуру, мы увеличиваем скорость частиц. А вот теперь задачка - какой должна быть температура, чтобы, используя второй закон Ньютона и закон Кулона, преодолеть кулоновский барьер?
Но могу сказать, что это очень большая температура. Порядка миллионов градусов. И здесь встаёт вторая проблема - сечение взаимодействия. Чтобы два протона слились нужно, чтобы они пролетели достаточно близко друг к другу, а они очень маленькие. На Солнце эта проблема решается просто и элегантно - огромная гравитация в ядре звезды сводит протоны близко друг к другу - давление в центре Солнца 250 миллиардов атмосфер. На Земле нет ничего, способное создать такое давление. Поэтому используется другой подход - увеличить скорость, чтобы поднять вероятность прохождения протонов достаточно близко друг к другу. А что нужно для этого сделать? Правильно - ещё поднять температуру! Например, температура плазмы в ITER будет достигать 50 миллионов градусов - в несколько раз больше, чем в центре Солнца.
А что же плазма? Как я уже писал, сегодня нет исчерпывающих теорий поведения плазмы. Особенно при температурах, описанных выше. Тут также возникает вопрос - как удержать вещество такой температуры? Вольфрам, самый тугоплавкий металл, плавится уже при 3400 градусах - далеко от заданных температур. Да и если вольфрам попадёт в плазму, он её "отравит", реакция прекратится. Поэтому единственный возможный способ - магнитная ловушка. Но традиционные медные электромагниты слишком громоздки и тратят слишком много энергии впустую - на нагрев. Единственный выход - сверхпроводники. Уже существуют сверхпроводники, способные работать при температуре жидкого азота - 80 К (кельвинов, шкала Кельвина соответствует традиционной шкале Цельсия, только ноль находится не в точке замерзания воды, а в абсолютном нуле - минус 273 градуса по Цельсию, таким образом, ноль по Цельсию это 273 К. Здесь и далее будет использоваться в основном шкала Кельвина). Однако сверхпроводимость имеет свойство разрушаться в сильных магнитных полях (ещё одна проблема). А мы ведь хотим удерживать много плазмы, чтобы получить много энергии. Существуют сверхпроводники, способные создавать сильные магнитные поля. Однако они работают при температуре жидкого гелия - 4К. А вот теперь представьте - магнит, охлажденный до температуры 4К соседствует с плазмой с температурой 50 миллионов К! Непростая задачка, не правда ли? У плазмы есть ещё одно свойство - она стремится "сбежать" из любой ловушки. Поэтому необходимо создать поле такой формы, чтобы плазма не смогла "сбежать" из такой ловушки. Поэтому и существует так много форм этого реактора - токамак, стелларатор, шар и другие. Первый является самым популярным. Типы реакторов - тема будущего поста, поэтому здесь мы не будем её касаться.
До сих пор ни один реактор не преодолел ещё одно ограничение - время удержания плазмы слишком мало. Даже на самых современных токамаках это время около ста секунд, зачем нужен реактор, способный за 100 секунд выделить огромное количество энергии, а потом стоять в бездействии? Это происходит из-за довольно быстрой переработки топлива реактором и накопления гелия. Чем крупнее реактор, тем дольше он сможет работать без выключения, если постоянно подавать в него дейтерий и тритий. Поэтому большинство перспективных реакторов - установки просто циклопического размера. Некоторые схемы лишены этого недостатка, но пока недостаточно изучены.
Пожалуй, с теорией закончили. Критика приветствуется. Также необходимо иметь в виду, что данный пост имеет исключительно ознакомительный характер, многие моменты упрощены или вовсе опущены. За ошибки и картинки прошу сильно не бить. Следующий пост будет про типы ловушек и реакторов.
