Предыстория

Термоядерные реакции были открыты в 30-х годах. Они проходят в недрах нашего солнца и состоят в слиянии ядер водорода в ядро гелия. Солнце — природный термоядерный реактор.

Возможность термоядерного синтеза – слияния двух ядер легких изотопов, происходящее при комнатной температуре и сопровождающееся выделением огромного количества энергии, было предсказано в 60-е годы прошлого века французским физиком Луисом Кервраном (Louis Kervran). Термоядерный синтез идет в недрах звезд, так как для того, чтобы запустить эту реакцию, необходимы очень высокие температура и давление. Существует мнение, что Нобелевский лауреат просто пошутил, говоря о возможности обойти эти требования, однако многие ученые всерьез загорелись идеей найти способ осуществить реакцию термоядерного синтеза "на столе".

Идея создания термоядерного реактора зародилась в 1950-х годах. Тогда от нее было решено отказаться, поскольку ученые были не в состоянии решить множество технических проблем. Прошло несколько десятилетий прежде, чем ученым удалось «заставить» реактор произвести хоть сколько-нибудь термоядерной энергии.

Два протона сливаются, образуя дейтерий, имеющий 1 позитрон (положительно заряженный электрон) и нейтрино. Дейтерий - изотроп водорода, у которого в ядре, кроме протона, есть ещё и нейтрон. На следующей фазе ядро дейтерия сливается с ещё одним протоном и образует ядро гелия-3 (нестабильный изотроп гелия). И наконец, 2 ядра гелия-3 сливаются, образуя гелий-4 (стабильный изотроп гелия) и 2 протона, готовых снова вступить в реакцию.

Существует и другая возможность образования ядра гелия из ядер водорода в результате серий более сложных реакций, известых как углеродно-азотный цикл. Для них необходима чуть большая температура, чем для реакции водородного цикла, поэтому он происходит в более крупных звездах. Кроме того, для него нужны такие хим. элементы как углерод и азот, в качестве катализаторов. Эти реакции могут преводить к образованию других хим. элементов, например, кислорода, серы, хлора и т.д. до железа. На этом цепочка термоядерных реакций заканчивается, потому что для образования более тяжелых элементов, чем железо, необходима дополнительная энергия. Речь идет об эндотермических реакциях, которые абсорбируют энергию из окружающей среды, в отличие экзотермических реакциях, при которых энергия выделяется.

Считается, что образование элементов, более сложных, чем железо, происходит во время взрыва сверхновой в результате механизма, известного как "захват нейтронов". Ядра всех тяжелых элементов образуются, захватывая нейтроны, чем увеличивают своих ядер. Последующее преобразование электронов из нейтронов позволяет образовываться очень стабильным тяжелым ядрам.

В ходе этих процессов сложился хим. состав той Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня. Это результат сложных изменений, происходящих в ядрах звезд, и взрывов очень крупных светил. Кроме того, следствием таких взрывов является загрязнение космоса элементами нового образования. В мире, в котором мы живем, идет постоянная переработка первородной материи. Поэтому даже с химической точки зрения во Вселенной присходят постоянные изменения, и она обогащается тяжелыми элементами, а самых легких становится всё меньше.

Для того чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания, для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением, то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной».

Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие. Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.

Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. Для сравнения, энергия ионизации водорода — 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму.

Если перевести 0,1 МэВ в температуру, то получится примерно 109 К. Однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции. Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней (т. н. «хвост максвелловского распределения»). Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозь него. Этот же факт туннелирования используется в мюонном катализе реакций ядерного синтеза.

Реакторы первого поколения будут работать на смеси дейтерия и трития. Нейтроны которые появляются в процессе реакции поглощаются защитой реактора, и тепло которое выделяется используется для нагревания теплообменника, что, в свою очередь, будет использоваться для вращения генератора.

Реакция с ⁶Li является экзотермической, обеспечивая получение небольшой энергии для реактора. Реакция с ⁷Li является эндотермической но не потребляет нейтронов. По крайней мере некоторые реакции ⁷Li необходимы для замены нейтронов потерянных в реакции с другими элементами. Большинство конструкций реактора используют естественные смеси изотопов лития.

Это горючее имеет ряд недостатков:

• Реакция продуцирует значительное количество нейтронов, которые активируют (радиоактивно заражают) реактор и теплообменник. Также требуются мероприятия для защиты от возможного истока радиоактивного трития.

• Только около 20 % энергии синтеза есть в форме заряженных частиц (остальные нейтроны), что ограничивает возможность прямого превращения энергии синтеза в электроэнергию. Использование D-T реакции зависит от имеющихся запасов лития, которые значительно меньше чем запасы дейтерия. Нейтронное облучение во время D-T реакции настолько значительное, что после первой серии тестов на JET, наибольшем реакторе на сегодняшний день что использует это топливо, реактор стал настолько радиоактивным, что для завершения годового цикла тестов пришлось прибавить роботизованую систему дистанционного обслуживания.

• Существуют, в теории, альтернативные виды горючего, которые лишены указанных недостатков. Но их использованию препятствует фундаментальное физическое ограничение. Чтобы получить достаточное количество энергии из реакции синтеза, необходимо удерживать достаточно плотную плазму при температуре синтеза на протяжении определенного времени. Этот фундаментальный аспект синтеза описывается произведением густоты плазмы, n, на время содержания нагретой плазмы, что требуется для достижения точки равновесия. Произведение зависит от типа горючего и является функцией температуры плазмы. Из всех видов горючего дейтерий-тритиевая смесь требует самого низкого значения по меньшей мере на порядок, и самую низкую температуру реакции, по меньшей мере в 5 раз. Таким образом, D-T реакция является необходимым первым шагом, однако использование других видов горючего остается важной целью исследований.

• Самые оптимистичные прогнозы завершения фазы DEMO: 30 лет. Учитывая ориентировочное время на построение и введение в эксплуатацию промышленного реактора, нас отделяет 40 лет от промышленного использования термоядерной энергии. Всего в мире было построено около 300 токамаков. На строительство станции уйдет как минимум 10 лет и 5 млрд долларов. За престижное право быть родиной гиганта энергетики соревнуются Франция и Япония.

В отличии от нестандартных источников энергии (ветровые ЭС, солнечные ЭС, приливные ЭС, гидро ЭС и др) синтез вырабатывает намного больше энергии. Тем более, что многие нестандартные ЭС просто не могут окупить себя и для них необходимы определенные условия, например для солнечной ЭС необходима ясная погода, а для ветровой ЭС соответственно необходим ветер. Атомные ЭС (где походит реакция расщепления) вырабатывают гораздо больше энергии, хотя и меньше чем вырабатывает реакция слияния – синтеза, но АЭС нуждается в уране, который весьма дорогостоящий, к тому е эти АЭС вырабатывают радиоактивные отходы, которые должны долго храниться, чтобы стать безопасным людей, хотя многие отходы представляют серьезную угрозу для человека. При холодном синтезе необходим лишь водород («тяжелая» вода, D₂O) объем которых на земле практически не исчерпаем. К тому же при синтезе не образуется остатка (радиоактивных веществ), так как ядра сливаются, образуя более тяжелые атомы, а не расщепляются, оставляя радиоактивные частицы. Тем самым опыты проводят без специальной защиты, в небольшой установке, а порой в стакане. А для реакции расщепления необходимы огромные реакторы.

К сожалению, невзирая на распространенный оптимизм (распространенный начиная с 1950-х годов, когда первые исследования начались), существенные препятствия между сегодняшним пониманием процессов ядерного синтеза, технологическими возможностями и практическим использованием ядерного синтеза до сих пор не преодолены, неясным является даже насколько может быть экономически выгодно производство электроэнергии с использованием термоядерного синтеза. Хотя прогресс в исследованиях является постоянным, исследователи то и дело сталкиваются с новыми проблемами. Например, проблемой является разработка материала, способного выдержать нейтронную бомбардировку, что, как оценивается, должно быть в 100 раз интенсивнее чем в традиционных ядерных реакторах.