Простыми словами о сложном: энергия звезд. Управляемый термоядерный синтез — миф или реальность

Термоядерный синтез — явление, широко распространенное во всей Вселенной. Однако в руках человека он все никак не может стать реальностью. Вроде и есть четко сформулированная задача, теоретическая база, реагенты и технологии. Но в чем же подвох?

Между тритием и дейтерием

Термоядерный синтез гелия из водорода — это самая эффективная и экономичная реакция во Вселенной. Между нами говоря, в космосе вообще мало чего есть, кроме водорода. Любой другой источник энергии заведомо хуже, ведь он потреб­ляет топливо, запасы которого ограничены, и к тому же изрядно загрязняет окружающую среду.

Принципиальное отличие управляемого термоядерного синтеза от традиционной ядерной энергетики состоит в том, что в первом случае происходит слияние атомных ядер, а во втором — деление. При ядерном распаде образуются опасные радиоактивные отходы, в то время как в результате термоядерной реакции — безопасный газ гелий, которым можно надувать воздушные шарики. И много, очень много энергии.

Управляемый термоядерный синтез — это и есть отражение мечты человека о вечном двигателе. Однако парадокс в том, что фантасты в описаниях мира будущего стараются обходить стороной вопрос получения энергии таким способом, считая его несостоятельным. А ученые, напротив, долго не видели никаких затруднений.

Первыми спровоцировать термоядерную реакцию пытались еще в нацистской Германии во времена Второй мировой войны. Немцы надеялись вызвать детонацию тяжелого водорода при помощи взрывчатки. Добейся они успеха — мир бы сейчас выглядел совсем иначе. Но оставим тему альтернативной истории для другого раза.

За появлением ядерной и водородной бомб последовали предсказания футурологов о том, что эпоха термоядерной энергетики наступит уже через каких-то несколько лет после строительства первой атомной электростанции. Как нам известно из истории, ничего подобного не произошло. Ученые верили, что промышленный синтез возможен даже с технологиями того времени, если их правильно применить. Однако к закату предыдущего столетия стало очевидно, что без принципиально новых технологий и углубления знаний человечества по ядерной физике энергию звезд приручить не удастся.

Краеугольный булыжник

В то время как в атомных электростанциях тяжелые ядра урана распадаются сами по себе, протоны водорода отталкиваются друг от друга по воле электростатических сил. Однако если удастся сломить сопротивление непокорных зарядов, то при слиянии частиц выделится несравненно больше энергии, чем было затрачено.

Чтобы провернуть такой финт, потребуется мощный ускоритель частиц, который не просто столкнет протоны лбами, а расплющит их друг о друга. В точке их соприкосновения начнется синтез.

Такие штуки уже несколько десятилетий имеются на вооружении людей. Сегодня коллайдеры помимо исследовательских задач применяются для производства ценных изотопов. Но, к сожалению, вырабатывать энергию таким способом не получается.

Звезда в бутылке

Загвоздка в том, что ядро водорода слишком мало по сравнению с самим его атомом. И если разгонять пучки частиц, то столкновения будут слишком редкими, чтобы выход энергии от термоядерных реакций оправдал затраты на их разгон. Это как пытаться попасть монеткой в бутылочное горлышко.

«Да как так-то? На Солнце же термоядерные реакции — обычное дело! Почему мы так не можем?» — спросите вы у меня, дорогие читатели. «А вот почему», — отвечу я и незамедлительно разъясню. Дело в том, что в недрах звезды разгон протонов — это только первый шаг термоядерного цикла. Ядра водорода сливаются в ядро гелия в несколько подходов. И для завершения цикла требуется, чтобы промежуточные продукты синтеза ни в коем случае не покидали зону реакции. Энергия, выделившаяся на предыдущем этапе, поддерживает процесс на следующем, и так по кругу. По сути, получается бесконечная цепная реакция, в которой звезда по имени Солнце — аккумулятор, который сам себя заряжает.

Плазменный бублик

Сердцевина раскаленных звезд состоит из водорода, находящегося в сверхтвердой форме, и термоядерные реакции могут идти на протяжении миллиардов лет. Ясное дело, что удерживать такую «горячую штучку» можно только в четвертом классическом агрегатном состоянии вещества — в форме плазмы. Что характерно, в ней нет давления, она не стремится занять весь доступный объем и не нагревается при сжатии. А еще, как оказалось, плазму можно засунуть в замкнутый магнитный кольцеобразный контур и заставить галопом мчаться по кругу внутри вакуумной трубы.

Ситуация, казалось бы, парадоксальная. Ведь если нет действия, то нет и противодействия: не может быть столкновений, а следовательно, и реакций синтеза. Ан нет, в замкнутом магнитном кольце часть вещества будет находиться в газообразном состоянии, в то время как другая будет существовать по законам плазмы. Двигаясь по бесконечному кругу, частицы то и дело будут сталкиваться друг с другом.

Идея бесконечного пылающего кольца пришла в светлые умы ученых СССР еще в 1950‑е и нашла успешную реализацию в советской установке с мелодичным названием «тороидальная камера с магнитными катушками», в народе именуемой ТОКАМАК. Ученым удалось добиться начала реакции синтеза, однако из-за перемены температур и плотности внутри магнитного кольца установка теряла стабильность.

Проблема заключалась в тритии. Мало того что он не встречается в дикой природе — его искусственно выводят в ядерных реакторах по цене 30 млн зеленых за кило, так еще в случае удачного синтеза 80 процентов выделившейся энергии уходит на разрушение металлических деталей энергетической установки. В общих чертах получается, что электричество все-таки дешевле вырабатывать на АЭС.

Братья по таблице

Поскольку тритий сотрудничать отказался, ученым пришлось обратиться к его старшему брату — гелию-3. У него и КПД на порядок выше, он стабилен и к тому же встречается в дикой природе.

Все, уговорили — отправляемся за ним на Луну! Оказывается, его там так много, что даже доставка на Землю будет экономически оправдана.

Отправимся-то мы обязательно, но пока что давайте все-таки выводить его искусственно, а то мало ли он, как тритий...


По разным причинам изотопы первых двух химических элементов для энергетики будущего оказались бесполезны. Хорошо, что на Луну зря не полетели. Взгляды ученых пали на третий элемент — литий. Ну уж он-то точно будет сговорчивее. Он и безопасен, не производит лишние частицы при синтезе и, в противоположность предыдущим, ничего не стоит. Ну прямо сын маминой подруги из мира химических элементов. Но, как оказалось, в замкнутом кольцеобразном контуре, в отличие от трития, который вступал в реакцию на практике, и гелия, вступавшего только в теории, литий не вступал в реакцию вовсе. А разговоров-то было…

Из пушки по воробьям

Ученые, тем не менее, смогли определить теоретический порог вступления лития в термоядерную реакцию. Он хоть и оказался высок, но вполне достижим. Для запуска реакции нужно всего ничего: по капсуле дейтерия, фаршированного литием, сначала шарахнуть ядерным взрывом и в момент, когда его объем изрядно сократится, подорвать уже внутри капсулы второй ядерный заряд.

И поскольку выделившейся энергии будет непросто покинуть зону реакции, в точке соприкосновения ударных волн по цепному принципу начнется синтез, невозможный в плазме... Так, минуточку! Идея, конечно, интересная, но оставить на месте материка выжженное пепелище — как-то не по-людски.


И где-то в этот момент в умах ученых всплыл весьма важный вопрос: а как, собственно, мы собираемся преобразовать выделяющуюся в зоне синтеза энергию в электричество?

В случае с обычными электростанциями ядерная реакция нагревает резервуар с водой, создавая давление, и разгоняет турбины, в то время как разогнанные частицы термоядерного синтеза пробивают обшивку реактора и образуют на месте приземления кратеры. Какой смысл выделения такого колоссального объема энергии, если на практике его не удастся никак аккумулировать? Так и записали: цель не достижима методами, которые сейчас можно вообразить. И на время успокоились.

Но термоядерная энергия в чистом виде — настолько значимая цель для человечества, что грех переставать пытаться ее добыть. Опыты продолжаются до сих пор. В случае успеха откроется новая дверь поистине колоссальных возможностей для всего рода людского. Колонизация солнечной системы и межгалактические перелеты перестанут быть выдумкой фантастов. Главное — не сжечь в процессе добычи энергии атмосферу. Но скорее всего, с приходом термоядерной эры получится нивелировать проблемы, ею же порожденные.  

И когда наши потомки спросят, как мы справились с энергетическим кризисом, мы сможем им гордо ответить: «Мы просто создали Солнце».