Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №10 за 2008 год

Сиань преображается вечером — когда зажигают красные фонари на городской стене и башнях Колокола и Барабана, когда в мусульманском квартале буквально не протолкнуться от людей, когда молодежь спешит в караоке на очередное песенное состязание, когда пожилые люди выходят со своими низенькими стульчиками за заборы и наблюдают за разноголосой и разноцветной жизнью вокруг. «Это наш Сиань? — удивленно спрашивают они друг друга. — Да, это он, красивый, как всегда, процветающий, как любая столица!» И удовлетворенно кивают друг другу: «Дожили».

Инесса Плескачевская

Плазма внутри токамака JET. Слева ее свечение показано цветом. Плазма хорошо видна, только когда попадает на стенки и охлаждается. Раскаленная плазма в центре ловушки светится в невидимых рентгеновских лучах. Фото: FDA-JET

Энергия, заставляющая светиться Солнце и звезды, выделяется в термоядерных реакциях, которые протекают в их недрах. Возможность использовать эту энергию на Земле первое время казалась фантастикой — ведь для ее получения требуется температура во многие миллионы градусов. Все изменилось с появлением водородной бомбы. Встал вопрос: можно ли применить столь могучий источник энергии в мирных целях? Это оказалось очень нелегко — больше полувека понадобилось физикам, чтобы начать строительство первого в мире термоядерного реактора с положительным выходом энергии. Если все пойдет успешно, то к середине века в наши дома придет наконец чистая «звездная» энергия.

Реакции термоядерного синтеза были открыты более 70 лет назад. В 1934 году Георгий Гамов высказал мысль, что протекающие при высокой температуре ядерные реакции могут быть источником энергии, способным в течение миллиардов лет поддерживать звезды в горячем состоянии. Детальную теорию ядерных реакций в звездах развил Ханс Бете в 1938 году. В этих реакциях из ядер водорода синтезируются более сложные ядра других элементов — гелия, лития, бора, углерода. А поскольку их образование происходит при высокой температуре, эти реакции называют термоядерным синтезом.

В центре Солнца из ядер обычного водорода сначала образуется его тяжелый изотоп дейтерий, из которого в ходе серии дальнейших реакций рождается гелий. Масса ядра гелия на 0,7% меньше массы ядер водорода, из которых оно образовалось. По формуле Эйнштейна Е = mc2 эта разница в массе превращается в энергию. Вот эту энергию мы и получаем от Солнца в виде света и тепла.

Но процесс синтеза идет очень медленно. Особенно первый его этап, когда два ядра водорода сливаются в ядро дейтерия. Характерное время этой реакции исчисляется миллиардами лет. Поэтому удельная мощность термоядерных реакций в центре Солнца, как ни странно, совсем невелика — около 200 Вт/м3. Примерно в таком же темпе выделяется энергия в теле человека. Лишь за счет гигантских размеров солнечный термоядерный реактор производит поток энергии, достаточный для поддержания жизни на нашей планете.

Для земной энергетики мощности 200 Вт/м3, конечно, абсолютно недостаточно. К счастью, можно обойтись без самой медленной реакции — синтеза дейтерия, поскольку он существует на Земле в готовом виде. По одному его ядру приходится на 6700 ядер водорода. В каждом кубометре воды содержится 110 килограммов водорода и 33 грамма дейтерия. Казалось бы, немного, но если этот дейтерий сжечь в термоядерных реакциях, выделится столько же энергии, как при сгорании 200 тонн бензина. Так что запасы термоядерного топлива на Земле легко доступны и неисчерпаемы.

Условия синтеза

Для получения энергии на основе управляемого термоядерного синтеза нужно выполнить три условия. Во-первых, требуется чрезвычайно высокая температура. В центре Солнца она составляет около 15 миллионов градусов. На Земле, чтобы увеличить мощность термоядерных реакций до практически полезного уровня — хотя бы до 1000 Вт/м3 — температуру нужно поднять до сотен миллионов градусов. Это и есть первое и главное условие управляемого термоядерного синтеза.

Во-вторых, в реакции должно участвовать достаточно много частиц — выход энергии растет как квадрат плотности топлива. Но вместе с температурой и плотностью увеличивается давление, и удерживать горячую плазму от расширения становится все труднее. Отсюда третье основное условие: время ее удержания должно быть достаточным, чтобы выделившаяся в ходе реакции энергия превысила затраты на нагрев и удержание плазмы.

Из всех термоядерных процессов самые скромные требования к температуре у реакции дейтерия (D) с тритием (T) — «всего лишь» 100 миллионов градусов. На языке ядерной физики эта реакция записывается так:

D + T [?]> 4He + n.

Продукты реакции — ядро гелия-4 (4He) и нейтрон (n) — приобретают энергию соответственно 3,5 и 14,1 миллиона электронвольт (1 эВ = 1,6 .10–19 Дж). Для сравнения: при температуре в 100 миллионов градусов ядра, вступающие в реакцию, имеют энергию, эквивалентную всего лишь 10 000 электронвольт. Так что энергетический выигрыш получается огромный.

Итак, нам нужны дейтерий и тритий. Дейтерий можно добывать из воды, а вот с тритием проблема — он неустойчив, и период его полураспада составляет всего лишь 12 лет. Поэтому на Земле трития практически нет, и его придется создавать искусственно, облучая нейтронами литий. Это можно делать прямо в стенках реактора за счет нейтронов, выделяющихся в процессе термоядерного синтеза. Разведанных запасов лития на суше около 11 миллионов тонн — достаточно, чтобы 3000 лет поддерживать современный уровень производства энергии на Земле. Конечно, литий нужен и для других целей, но при необходимости его можно извлекать из морской воды — там его запасы в 20 000 раз больше. Так что проблем с обеспечением термоядерной энергетики топливом в обозримой перспективе не будет.

Струи солнечной плазмы движутся по дугам вдоль силовых линий магнитного поля. Фото: NASA/TRACE

Четвертое состояние вещества

При нагревании все вещества сначала плавятся, потом испаряются и, наконец, переходят в состояние плазмы: молекулы распадаются на атомы, атомы ионизируются, и образуется смесь положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Движение заряженных частиц порождают электрические и магнитные поля, которые влияют на траектории соседних частиц. Поэтому частицы в плазме двигаются согласованно, что отличает ее от обычного газа из электрически нейтральных молекул и делает поведение плазмы чрезвычайно сложным.

Проблема с нейтронами

Однако, помогая получать тритий, нейтроны одновременно создают ряд технических проблем. Во-первых, они вызывают в стенках реактора наведенную радиоактивность. И хотя она в сотни раз меньше, чем в продуктах деления урана на обычных АЭС, требуется тщательно подбирать состав материалов для камеры реактора и контролировать содержание в них примесей, чтобы избежать рождения опасных медленно распадающихся радиоактивных ядер.