Ядерный синтез

Еще один способ «сыграть» на потере массы, чтобы получить выделение энергии — это соединять легкие ядра в более тяжелые, вплоть до железа. Такой процесс ядерного синтеза идет в недрах звезд, что и обеспечивает их излучение на протяжении миллионов и миллиардов лет.

Вы не задумывались, откуда взялись в природе все химические элементы? Ведь изначально (точнее, к моменту образования первых звезд) во Вселенной присутствовали только два элемента: водород (около 75%) и гелий (около 25%). Все остальные химические элементы, вплоть до железа, образовались в недрах звезд в ходе термоядерного синтеза. Почему «термо»? Потому что ядерный синтез идет в звездах при очень высоких температурах.

Элементы же тяжелее железа синтезировались во время взрывов сверхновых звезд, когда ядра с огромными скоростями «впечатывались» друг в друга. Так что все мы родом из звезд.

Чтобы могла произойти реакция синтеза, два ядра должны сблизиться на расстояние, равное радиусу действия ядерных сил. Для этого им надо преодолеть барьер кулоновского отталкивания, который тем выше и шире, чем больше заряды ядер. Сообщить ядрам необходимую для этого кинетическую энергию можно двумя способами: на ускорителе или путём нагревания.

При формировании Земли из протопланетного облака присутствовали все химические элементы, включая трансурановые. Однако за 4,5 млрд. лет жизни Земли все трансураны распались, поэтому таблица Менделеева до 1940 года заканчивалась ураном (Z=92).

Ускорители используют для синтезирования трансурановых элементов. Для этого тяжелый элемент бомбардируют различными частицами: нейтронами, альфа-частицами или ионами. Уже удалось синтезировать элементы до Z=118 (многие из них, в том числе 114, 116, 117, 118, были впервые синтезированы на ускорителе в Дубне).

Что касается нагревания, то даже при минимальном заряде обоих ядер Z=1 для легального преодоления барьера требуется температура порядка 2 млрд. градусов! Такие температуры нам недоступны. В недрах Солнца температура и то ниже (15 млн. градусов). Спасает ситуацию туннельный эффект, благодаря которому некоторые термоядерные реакции протекают уже при десятках млн. градусов.

Пока что нам доступен только неуправляемый термоядерный синтез — термоядерная (водородная) бомба. Чтобы достигнуть температуры, необходимой для запуска термоядерного синтеза, сначала взрывают атомную бомбу.

Уже много десятилетий человечество надеется научиться получать энергию в промышленных масштабах в управляемых реакциях термоядерного синтеза.

Наиболее легко достижимой представляется реакция на изотопах водорода дейтерии и тритии (Z=1): требуется разогреть смесь дейтерия и трития «всего навсего» до 200 миллионов градусов. Основная проблема: как удержать в замкнутом объёме столь сильно раскаленное вещество в течение достаточного для осуществления реакции времени? При этом оно не должно соприкасаться со стенками реактора, которые не способны выдержать такую температуру.

Самыми перспективными устройствами считаются ТОКАМАКи - ТОроидальные КАмеры с МАгнитными катушками, впервые предложенные А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом в 1950 году. Раскаленная дейтериво-тритиевая плазма в токамаке удерживается специально создаваемым комбинированным магнитным полем.

Несмотря на многолетние старания, время удержания плазмы все еще недостаточно (требуется увеличить его хотя бы в 10 раз).

С экологической точки зрения «термояд» был бы идеальным вариантом: не расходуется кислород из атмосферы, она не загрязняется продуктами сгорания, среди продуктов реакции нет вредных веществ. Что касается доступности топлива, то дейтерий можно извлекать из воды, запасы которой на Земле практически неисчерпаемы, а тритий легко получается искусственным путём при облучении лития нейтронами. Так что запасов топлива хватило бы на сотни тысяч лет.

Еще в 1970 году ученики Игоря Евгеньевича Тамма, одного из отцов токамака, к юбилею учителя сочинили частушку:

 

Говорят, говорят, скоро будет термояд.

Будет мирный, будет смирный, управляемый.

Нам об этом термояде говорили в детстве дяди.

А теперь мы сами дяди, сами то же говорим

И мечтой о термояде всё горим, горим, горим!

 

Частушка актуальна до сих пор.

За прошедшие полвека надежды на скорое решение энергетических проблем человечества с помощью термоядерного синтеза поутихли, хотя работы над проблемой не прекращаются. Прогнозируется, что нужно еще несколько десятилетий, прежде чем промышленное использование термоядерного синтеза станет возможным.

С 1980-х создаётся ITER — Международный экспериментальный термоядерный реактор-токамак. Доля России в нём огромна. Он строится под Марселем, имеет диаметр около 1 км, вес 23 тыс. тонн, расчётная полезная мощность 500 млн. Вт. Завершение работы планируется к 2025 году, но сроки уже неоднократно отодвигались.