Знай наших! О термоядерном синтезе

Что такое термоядерный синтез? И можно ли использовать его в мирных целях? О проекте Международного экспериментального термоядерного реактора смотрите в новом выпуске «Знай наших».

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 она 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!

Теги:

Читать еще на Чердаке: