Обсерватория солнечной динамики NASA сделала это изображение солнечной вспышки – как видно на яркой вспышке в правом верхнем углу – 2 октября 2022 года. На изображении показан участок экстремального ультрафиолетового света, выделяющий чрезвычайно горячий материал в виде бликов и окрашенный в оранжевый цвет. (Изображение предоставлено: NASA/SDO)
Термоядерный синтез – это реакция, которая происходит в сердцах звезд, когда два легких атомных ядра сливаются в одно более тяжелое ядро. При термоядерном синтезе образуется очень мало ядерных отходов и отсутствуют выбросы парниковых газов, поэтому его уже давно называют потенциальной чистой альтернативой традиционным источникам энергии. Но что движет этим процессом? И может ли он когда-нибудь стать жизнеспособным коммерческим источником энергии?
Что такое термоядерный синтез?
Термоядерный синтез (ядерный синтез) происходит, когда два легких атома соединяются вместе, или сплавляются, образуя более тяжелый атом. Общая масса нового атома меньше массы двух образовавших его атомов; «недостающая» масса выделяется в виде энергии, что описывается знаменитым уравнением Альберта Эйнштейна «E=mc^2».
Обычно атомные ядра отталкиваются друг от друга, поскольку имеют одинаковый заряд. Чтобы преодолеть это отталкивание, требуются высокие температуры, давление или и то, и другое. На Земле температура в термоядерных реакторах почти в шесть раз превышает температуру в ядре Солнца. При такой температуре водород уже не газ, а плазма – чрезвычайно высокоэнергетическое состояние материи, в котором электроны отрываются от атомов. (1)
Термоядерный синтез отличается от деления, которое расщепляет атомы и приводит к образованию значительного количества радиоактивных отходов, что является опасным.
Термоядерный синтез является доминирующим источником энергии для звезд во Вселенной. Он также является потенциальным источником энергии на Земле, если ученые смогут понять, как получить из реакции больше энергии, чем требуется для ее начала. При запуске намеренно неконтролируемой цепной реакции термоядерный синтез приводит в действие водородную бомбу. Ядерный синтез также рассматривается как возможность обеспечения энергией космических кораблей.
Энергия термоядерного синтеза
«Святым Граалем» чистой энергетики является получение коммерческой энергии в результате реакций ядерного синтеза.
Ученые преследуют эту цель уже несколько десятилетий. Термоядерный синтез является столь привлекательной альтернативой существующим источникам энергии, поскольку он практически не производит радиоактивных отходов и парниковых газов и требует относительно простых ингредиентов. Ключом к мечте о безграничной чистой энергии является получение большего количества энергии в результате реакции, чем требуется для ее производства.
В 2022 году ученые из Ливерморской национальной лаборатории объявили, что впервые ядро ядерного синтеза произвело больше энергии, чем израсходовало. В установке зажигания используются лазерные лучи для удержания плазмы дейтерия и трития, двух изотопов, или разновидностей, водорода. Но эксперты говорят, что до создания жизнеспособного коммерческого термоядерного реактора, скорее всего, еще несколько десятилетий. Это связано с тем, что для нагрева плазмы ученые должны получать энергию из электрической сети. Поэтому, чтобы сделать реакцию жизнеспособной, энергия, вырабатываемая в результате реакции, должна также учитывать значительное количество энергии, теряемой при преобразовании электричества в свет, который питает лазеры.
Дейтериево-тритиевый синтез
Наиболее перспективной комбинацией для получения энергии на Земле сегодня является слияние атома дейтерия с атомом трития для создания атома гелия. Этот процесс, требующий температуры около 39 миллионов градусов Цельсия, производит 17,6 миллионов электронвольт энергии.
В настоящее время эксперименты по дейтерий-тритиевому синтезу проводятся в Национальном термоядерном центре DIII-D в Сан-Диего, Калифорния, США. Крупнейший потенциальный ядерный реактор, проект ITER на юге Франции, до завершения которого еще много лет, также использует эти два изотопа для питания своей реакции. В отличие от реактора NIF, в проекте ITER используются сильные магниты для направления водородной плазмы вокруг реактора в форме пончика, называемого токамаком. (2, 3)
Дейтерий является перспективным ингредиентом, поскольку это изотоп водорода, содержащий один протон и нейтрон, но без электрона. В свою очередь, водород в изобилии содержится в воде. Галлон морской воды (3,8 л) может произвести столько же энергии, сколько 300 галлонов (1136 л) бензина.
Тритий содержит один протон и два нейтрона. Он производился в больших количествах во время испытаний ядерных ракет в 20 веке, но период его полураспада составляет около 12 лет, то есть половина количества распадается за это время. Ученые ITER предложили производить тритий в больших количествах путем бомбардировки нейтронами лития, элемента, встречающегося в земной коре.
Дейтерий-дейтериевый синтез
Теоретически более перспективный, чем дейтерий-тритиевый, из-за простоты получения двух атомов дейтерия и более высокого выхода энергии, этот метод также более сложен, поскольку для его работы требуются чрезвычайно высокие температуры. Согласно данным ITER, несколько испытательных реакторов ядерного синтеза могут достигать температуры около 150 миллионов градусов Цельсия. Однако для реакции только дейтерия с дейтерием потребуется температура не менее 400–500 миллионов градусов Цельсия. (4, 5)
Пока единственной установкой, способной инициировать реакцию дейтерий-дейтерий, является установка Joint European Torus (ДЖЭТ), которая достигла этого лишь на короткое время. (6)
Реакции термоядерного синтеза в звездах
- Протон-протонный синтез: Доминирующая движущая сила для звезд, таких как Солнце, с температурой ядра ниже 15 миллионов градусов Цельсия, протон-протонный синтез начинается с двух протонов и в конечном итоге дает частицы высокой энергии, такие как позитроны, нейтрино и гамма-лучи. По данным Университета Западной Виргинии, для того чтобы достичь слияния при таких низких температурах, звезды используют давление, более чем в 200 миллиардов раз превышающее атмосферное давление на Земле. (7)
- Углеродный цикл: В звездах с более высокой температурой происходит слияние атомов углерода, а не водорода. В этом процессе звезды начинают с углерода-12 и проходят шесть различных этапов, чтобы получить ядро гелия и еще один атом углерода-12.
- Тройная гелиевая реакция: Звезды, такие как красные гиганты, в конце своей фазы, при температуре свыше 100 миллионов градусов Цельсия сплавляют вместе атомы гелия, а не водорода и углерода.
Работает экологическим и научным журналистом более 15 лет. Пишет о науке, культуре, космосе и устойчивом развитии. Внештатный автор сайта «Знание – свет».
