Знай наших! О термоядерном синтезе

Всем привет! С вами Анна Шустикова и рубрика о российской науке «Знай наших». Пожалуй, каждый из вас слышал как об атомной бомбе, так и об успешном применении того же физического процесса на атомных электростанциях. Возможно, известна вам также и история термоядерного оружия. Однако в отличие от процесса распада ядер, который лежит в основе атомной бомбы, процесс слияния ядер или как его еще называют термоядерный синтез применить для получения энергии в мирных целях пока что не удалось. Впрочем, ученые не теряют надежду и сегодня мы как раз поговорим о проекте, цель которого — сделать термояд мирным и экономически выгодным. Но для начала давайте остановимся на процессе термоядерного синтеза чуть подробнее. Возможно, вы помните, что самый легкий элемент таблицы Менделеева — это водород: он состоит из одного протона и одного электрона — что может быть проще? Однако водород может существовать и в других, более тяжелых формах. Например, если к протону в ядре добавить один нейтрон — мы получим тяжелый водород, или дейтерий. А если добавить не один, а целых два нейтрона, мы получим сверхтяжелый водород или тритий. Именно эти элементы и являются самыми популярными участниками термоядерной реакции: ядра дейтерия и трития сливаются с испусканием нейтрона. Кроме того, при этом выделяется энергия, которая в неуправляемом термоядерном синтезе идет на взрыв, а в управляемом — на что-нибудь полезное, ну, на освещение, например. Звучит не очень сложно, не правда ли? Однако для осуществления контролируемой термоядерной реакции необходимо выполнить несколько условий: во-первых, температура смеси дейтерия и трития должна быть очень и очень высокой — более 100 000 000 градусов. Разумеется, такое вещество не поместишь ни в какую емкость — оно просто напросто расплавит ее, каким прочным ни был бы материал. То есть получается, что удержать смесь трития и дейтерия сама по себе очень непростая задача. И тут перед нами предательски встает второе условие, необходимое для совершения реакции: ведь время удержания такого вещества в системе помноженное на плотность смеси должно быть выше определенной величины. К счастью, задача эта, хоть и непростая, но все же выполнимая. Дело в том, что при таких высоких температурах свойства самого вещества меняются. Атомы, в привычных нам условиях состоящие из отрицательно заряженных электронов и положительного ядра распадаются на свободные электроны и положительные ионы. Такое состояние вещества называется плазмой и оно может проводить ток — например, если все свободные электроны побегут в одном, а ионы — в противоположном направлении. А если поместить эти движущиеся заряженные частицы в магнитное поле, то по законам физики они начнут поворачивать. Выходит, что расположив нужным образом магниты, можно заставить такое вещество двигаться по кругу, а, значит, удерживать его без соприкосновений со стенками установки. Поздравляю — мы с вами только что разобрали принцип работы ТОКАМАКа, придуманного в СССР устройства для совершения управляемого термоядерного синтеза. На установках, имеющих такую схему уже сегодня удалось получить небольшой выход по энергии — то есть выделить с ее помощью больше энергии, чем было затрачено на разогрев плазмы, однако, для того, чтобы выход энергии был существенным, необходимо построить по-настоящему большой ТОКАМАК. Именно такой и создается сегодня в Европе: Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР, расположенный на юге Франции, обещает быть высотой в 30 м и массой в 23 тысячи тонн. Его планируют построить к 2025 году, и по оценкам экспертов на промышленный уровень он выйдет только в районе 2060 года. Над его созданием работают страны Европейского Союза, Россия, США, Япония, Индия, Южная Корея и Китай. И, например, недавно наши соотечественники из Санкт-Петербургского политехнического университета предложили схему, которая поможет лучше сохранить будущий гигантский ТОКАМАК от износа. Как мы обсудили выше, разогретое вещество в ТОКАМАКе удерживается не стенками установки, а магнитным полем, однако в предельном режиме может произойти отрыв вещества, оно попадет на стенку и это, в свою очередь, приведет к серьезным повреждениям установки. К счастью, новые расчеты показали, что таких ситуаций можно избежать, добавив к помещенному внутрь ускорителя веществу примеси. Полагается, что они будут задерживать энергию, которая в противном случае повредила бы стенки установки. На этом все! Больше об участии России в проекте ИТЭР вы можете прочитать на нашем сайте. И до встречи через неделю!