Министерство энергетики США объявило о прорыве в области термоядерного синтеза, который произошел 5 декабря. Так, в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в ходе эксперимента на термоядерном реакторе смогли потратить 2,05 мегаджоуля энергии, а получить 3,15 мегаджоуля. Почему это важно, и как это влияет на развитие технологии, рассказывает Николай Хандога, научный сотрудник. Лаборатории ядерной физики и физики высоких энергий Университета Сорбонны.
Расскажем сначала о термоядерном синтезе? Я понимаю, какая реакция происходит при ядерном распаде на обычных АЭС: из тяжелого ядра делается два легких, а при термоядерном синтезе наоборот. Почему так?
Вы все правильно сказали. Ядерные силы в чем-то похожи на химические, но значительно более мощные. Бывает так, что ядру энергетически выгодно распастись на меньшие, такие ядра называются нестабильными. А бывает так, что слияние двух ядер более выгодно, и тогда такой синтез приводит к высвобождению большого количества энергии.
В чем проблема с синтезом? Для того чтобы реакция пошла, нужно, чтобы эти два ядра приблизились друг к другу достаточно близко, чтобы ядерные силы начали действовать. Но приблизиться ядрам мешают электростатические силы, которые хотя и слабее ядерных, но имеют больший радиус действия.
Мы знаем, что ядра заряжены положительно, а значит, они отталкиваются. То есть сами по себе, если их при комнатной температуре положить друг возле друга, они не прореагируют.
Есть определенный список элементов, которые могут реагировать с высвобождением энергии?
Да. Конфигурация этих ядер должна быть такой, чтобы им было выгоднее быть вместе, чем отдельно. То есть, это условия для термоядерного синтеза.
Если распадается тяжелое ядро в этих радиоактивных веществах, то понятно почему выделяется большое количество тепла. А почему появляется энергия, когда ядра соединяются?
Есть такое понятие «энергия связи ядра». То есть, есть энергия связи ядер в начале и после реакции. Природа всегда пытается снизить потенциальную энергию, если есть такая возможность.
Это очень общий закон природы, благодаря которому реки стекают в океан, вода при нуле градусов превращается в лед, а стрелка компаса ориентируется на север. Очень схожа история и с химическими реакциями, только масштаб энергий в ядерных реакциях на несколько порядков выше, чем в химических.
Если энергия связи образовавшегося ядра меньше энергии связи ядер в начале, тогда такое состояние более выгодно, реакция пройдет, а избыток энергии выделится в виде излучения.
Объясняя по пальцам: если у каждого ядра было по 10 грн, они объединились, у образовавшегося ядра стало 15 грн. Остальные 5 грн выделились в энергию. При ядерном распаде обычно все наоборот: у начального ядра есть 20 гривен, а у продуктов реакции — по 9.80. А вот на оставшиеся 2% и живут наши АЭС.
Самая известная термоядерная реакция происходит на Солнце. Расскажи об этом подробнее
Есть три показателя, которые нужны, чтобы эта реакция шла. Во-первых, нужна большая плотность материи, то есть их нужно спрессовать. Во-вторых, температура. В-третьих, время, которое они будут находиться друг возле друга. То есть их нужно спрессовать, подогреть и держать, пока они не прореагируют.
На Солнце сжатие происходит из-за огромной массы Солнца и соответственно силы тяжести, которую эта масса образует. Эта сила спрессовывает атомы в кучу, приближая их достаточно, чтобы в действие вступили «близорукие» ядерные силы и началась реакция синтеза. Реакция синтеза, в свою очередь, выделяет энергию, поднимает температуру и таким образом способствует самоподдержанию.
Водород — самый легкий элемент периодической системы Менделеева, он состоит из одного протона и одного электрона. Почти три четверти (73%) вещества во Вселенной — водород. Еще четверть — гелий, а остальные элементы составляют всего 2%.
Вот на Солнце благодаря тамошним условиям водород превращается в гелий. Собственно, гелий так называется, потому что он был открыт благодаря наблюдениям за Солнцем, а Гелиос (Ήλιος) на греческом означает солнце. Когда весь водород на Солнце «выгорит», превратившись в гелий, и Солнце погаснет. Но это произойдет только через несколько миллиардов лет, поэтому пока должны волноваться о более насущных проблемах.
Нужно, чтобы все было в каком-нибудь ограниченном пространстве?
Суть в том, чтобы спрессовать очень близко отталкивающиеся друг от друга атомы, а для этого нужна какая-то сила. Затем нужно их разогреть, чтобы они могли приближаться друг к другу и держаться так некоторое время.
Причем это произведение плотности, температуры и времени. То есть, можно, например, разогреть и спрессовать поменьше, зато держать несколько дольше. А можно наоборот, добиться большей густоты и температуры, тогда реакция произойдет быстрее.
Реакция прямого превращения водорода в идущий на Солнце гелий не очень интересна с энергетической точки зрения. Но есть такая штука как тяжелый водород, его еще называют дейтерий, где в ядре кроме протона добавляется еще один нейтрон. Вот слияние двух атомов дейтерия способно образовать атом гелия с существенным выделением энергии.
Дейтерий является стабильным элементом, то есть не распадается сам по себе, и в большом количестве присутствует на Земле. Подобно тому, как обычный водород образует в соединении с кислородом воду, дейтерий образует так называемую тяжелую воду.
Тяжелая вода в малой концентрации присутствует в обычной океанской воде. Но океан настолько велик, что даже доля процента — это уж очень много и этого точно достаточно, чтобы не переживать за источник термоядерного топлива.
Еще существует сверхтяжелый водород или тритий, который имеет в ядре протон и два нейтрона. Тритий нестабильный и немного проблемнее дейтерия, но именно дейтерий-тритиевая смесь обычно используется как топливо в современных экспериментальных термоядерных реакторах.
Итак, если определенное количество дейтерий-тритиевой смеси разогреть, сжать и немного подержать — произойдет термоядерная реакция. Существует ряд способов это сделать и, соответственно, немало различных конструкций термоядерных реакторов.
Если смотреть на историю создания, то уже в 60-х годах МАГАТЭ сделало эту программу для движения в нужном направлении. Назовем технические проблемы для этого?
Следует отметить: чтобы люди поверили, что термоядерный синтез вообще можно воспроизвести на Земле, большую роль сыграло создание термоядерной бомбы. Первоначально была создана ядерная бомба, базирующаяся на ядерном распаде.
Потом пошли дальше и придумали, что при ядерном взрыве у нас создаются достаточные условия, чтобы запустить уже термоядерную реакцию. Придумали такую схему: сначала идет ядерный взрыв, зажигающий термоядерное топливо, и тогда за ядерным взрывом сразу идет термоядерный, который может быть в тысячу раз сильнее.
Какие страны добились в этом успеха?
Прежде всего, речь идет о двух странах, наиболее вложившихся в ядерные исследования — США и Советский Союз. Также значительного прогресса достигла Франция, которая сейчас занимает второе место в мире по производству ядерной энергии.
От создания ядерной бомбы до первого ядерного реактора прошло всего несколько лет. Конечно, все ожидали, что похожая история произойдет и с термоядерным синтезом.
Кроме того, синтез имеет ряд существенных преимуществ перед ядерными реакторами, которые базируются на ядерном разделении. Во-первых, термоядерное топливо: дейтерий не радиоактивен и его можно добывать прямо из воды.
Во-вторых, продуктом реакции будет гелий — стабильный инертный газ, абсолютно безопасный и с физической и с химической точки зрения. О ядерных могильниках можно забыть навсегда. В-третьих, энергетический выход единичной реакции тоже заметно больше типичной реакции деления в ядерных реакторах.
Есть еще одно важное отличие. Детонация ядерной бомбы — лавинообразный процесс.
Подразумевается, чтобы следующий этап ядерной реакции был больше, чем предыдущий?
Ядро распадается и продукты этого процесса приводят к распаду соседей. Те инициируют распад дальнейших соседей и так далее. Если соседей достаточно много — такая реакция развивается лавинообразно и происходит взрыв, если соседей мало — все быстро затухает.
Это и есть принцип критической массы. Масса ядерной бомбы не может быть меньше критической массы. В зависимости от вещества, эта масса может составлять от нескольких килограммов до нескольких десятков килограмм.
Ядерные реакторы тоже зависят от критической массы. Они балансируют на грани, где реакция себя поддерживает, не затухая, но и не доводя дело до лавинообразного взрыва. Поэтому с одной стороны это не позволяет создавать произвольно малые ядерные реакторы, например размером с пальчиковую батарейку.
С другой стороны, остается опасность того, что реакция перейдет в неконтролируемую фазу и произойдет взрыв. Стоит отметить, что современные ядерные реакторы прекрасно защищены и намного безопаснее тех, что существовали в 1980-е годы.
Но в термоядерных реакторах мы можем сами выбирать количество вещества, которое будет вступать в реакцию. Следовательно, авария на термоядерной станции невозможна даже теоретически, потому что мы можем выбрать очень малое количество вещества для реакции.
Поэтому люди сразу увлеклись идеей термоядерных электростанций, поняли, что это золотое дно. Сразу начали говорить: затопим весь мир чистой, дешевой, неограниченной энергией.
Что сделали американцы, какое это имеет значение?
В принципе, там есть несколько основных технологий, которые используются для того, чтобы воспроизвести эту реакцию. Основные, кстати, обычно связаны с магнитным полем. Посредством магнитного поля мы нагреваем топливо, переводим его в состояние плазмы, и одновременно удерживаем его. И действительно, Советский Союз был достаточно продвинут в этом направлении.
Например, технология, которая называлась «Токамак» (Тороидальная камера с магнитными катушками), была разработана именно в Союзе и долгое время считалась самой перспективной в мире. Во Франции по этой технологии построен экспериментальный реактор «Итер».
То есть, западные страны успели первее, чем россияне?
«Итер» построен на территории Франции, но это международный проект, в котором принимают участие более 10 стран. Должен признать, что и участие россиян там достаточно заметно. Я вчера общался с коллегой физиком, он говорит: «Ливерморцы сделали интересное, но Итер имеет свои преимущества».
Итак, давайте наконец-то поговорим, что сделали в лаборатории Ливермора. Для нагрева термоядерного горючего они использовали массивные лазеры. Время содержания плазмы получается очень мало, но создается большая температура и плотность вещества. Достаточная для того чтобы реакция прошла.
Более того: энергия, образующаяся в результате синтеза, на 50% превышает энергию, израсходованную на лазерные импульсы. Но остается проблема перевода этой энергии в приемлемую для потребления форму. Надо придумать как «снимать» энергию, выделяемую во время реакции, и превращать ее, скажем, в электрическую. Насколько я понимаю, эти проблемы предстоит решить.
С этой перспективы ситуация у тех реакторов, которые используют принцип удержания плазмы магнитным полем, несколько лучше. Токамаки и стеллараторы построены следующим образом: есть некий условный казан, в котором конфигурация магнитного поля создана так, чтобы удерживать термоядерное топливо. Магнитное поле и сжимает топливо, и разогревает его, и не дает ему прикасаться к стенкам реактора, ибо если с такой температурой вещество коснется стенок, то оно просто уничтожит устройство.
Токаматы и стеллараторы добиваются несколько меньшей температуры и плотности, но удерживают плазму длительное время. С преобразованием энергии реакции там несколько лучше ситуация, но, к сожалению, до сих пор не преодолен рубеж энергетической эффективности: такие реакторы до сих пор потребляют больше энергии, чем реакция может выдать.
Итак, в лаборатории Ливермора преодолели очень важный для науки рубеж, но с инженерной точки зрения еще далеко до того, что мы сможем выпустить энергию в сеть и лампочки от этого зажигать. Надо собрать энергию таким образом, чтобы она работала на корыстные цели. До сих пор «снимать энергию» — это означает, в основном, кипятить воду и пускать ее на турбину. Это то, что сейчас делается на ядерных электростанциях.
Где можно использовать эту энергию, кроме электростанций? Может быть, на самолете, корабле?
С точки зрения ядерной физики нет проблемы сделать термоядерный реактор размером с наручные часы. Но ведь вопрос: как сделать в ваших часах «маленькое солнце» какое бы вырабатывало вам энергию? Но это уже инженерный вопрос.
Люди хотят картинки будущего. Представим себе, что все получилось. Термоядерные реакторы на каждом шагу. Как это изменит мир?
Это сделает ненужными электростанции, которые есть у нас. Это удешевит все перевозки. Отнимет монополию у тех стран, компаний, которые сейчас владеют энергоресурсами. Значение нефти уменьшится раз в пять. Мы избавимся от этой вредной зависимости от ископаемых. Войн за нефть станет меньше.
Более технологичные нации смогут строить электростанции на термоядерном синтезе, а затем двигатели для машин или кораблей. Такие нации еще больше вырвутся вперед. А нации, чье влияние сильно возлагается на ресурсы, например Россия, будут иметь меньше рычагов влияния.
Где еще можно использовать такой уменьшенный термоядерный реактор?
Где угодно: часы, ноутбуки. Чем хорош термоядерный синтез — там нет нижнего порога для реакции, в источник энергии может быть сколь угодно маленьким. Его можно вставить в беспроводные наушники, если удастся технологически решить как именно это сделать. Но чисто научных ограничений для этого не существует.
За 100 лет вообще возможно сделать такой работающий реактор?
Я верю, что и раньше. Мы уже пересекли важный рубеж. А именно научный — выработать больше энергии, чем потратить. Дальше есть экономический рубеж — потратить меньше денег на выработку энергии, чем эта энергия будет стоить по рыночной цене. То есть следующий рубеж будет экономичный — удешевить процесс термоядерного синтеза, сделать его выгодным с коммерческой точки зрения.