Что такое реакция синтеза?
Слияние – это процесс, при котором два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро, высвобождая огромное количество энергии. Реакции термоядерного синтеза происходят в состоянии вещества, называемом плазмой, горячим заряженным газом, состоящим из положительных ионов и свободно движущихся электронов, который обладает уникальными свойствами, отличными от свойств твердых тел, жидкостей или газов.
Солнце, как и другие звезды, именно благодаря этой реакции излучает энергию. Чтобы внутри Солнца произошел ядерный синтез, они должны столкнуться друг с другом при чрезвычайно высокой температуре, около десяти миллионов градусов по Цельсию. Высокая температура дает им достаточно энергии, чтобы преодолеть взаимное электрическое отталкивание.
Как только ядра преодолевают его и оказываются очень близко друг к другу, ядерная сила притяжения между ними преодолевает силу отталкивания и позволяет им сливаться. Для этого ядра должны находиться в замкнутом пространстве, что увеличивает вероятность столкновения. Идеальные условия для синтеза на Солнце обеспечивает колоссальное давление, создаваемое мощной гравитацией.
Зачем ученые изучают термоядерные процессы
С тех пор как в 1930-х годах была сформулирована теория ядерного синтеза, многие ученые, такие как Ганс Бете, Петр Капица и Игорь Там, а в последнее время и многие инженеры по всему миру стремились воспроизвести этот процесс и контролировать его. Это потому, что если ядерный синтез можно будет начать на Земле и применить в промышленных масштабах, то он может обеспечить почти неограниченное количество чистой, безопасной и доступной энергии для удовлетворения мировых потребностей.
Термодинамический синтез способен генерировать в четыре раза больше энергии на килограмм топлива, чем ядерное деление (используемое на атомных электростанциях), и почти в четыре миллиона раз больше энергии, чем сжигание нефти или угля.
Большинство разрабатываемых концепций для термоядерных реактороввключают использование смеси дейтерия и трития, атомов водорода, содержащих дополнительные нейтроны. Теоретически, используя всего несколько граммов этих реагентов, можно получить тераджоуль энергии — такого количества энергии одному жителю развитой страны может хватить примерно на шестьдесят лет.
Термоядерное топливо широко распространено и легкодоступно: дейтерий можно извлекать из морской воды без использования дорогостоящих технологий, а тритий потенциально можно производить путем реакции нейтронов, генерируемых в результате синтеза, с литием, который широко доступен в природе. Этих запасов топлива хватит на миллионы лет. Кроме того, будущие термоядерные реакторы по своей природе безопасны и не предполагают образования высокоактивных или долгоживущих ядерных отходов.
Кроме того, поскольку процесс синтеза сложно запустить и поддерживать, отсутствует риск цепной реакции и расплавления реактора; термоядерный синтез может происходить только в жестких условиях эксплуатации, за пределами которых (например, в случае аварии или отказа системы) плазма будет естественным образом охлаждаться, очень быстро терять энергию и рассеиваться до того, как будет нанесено значительное повреждение реактору.
Важно отметить, что ядерный синтез, как и ядерное деление, не выбрасывает в атмосферу углекислый газ и другие парниковые газы, поэтому он может стать долгосрочным источником низкоуглеродной электроэнергии во втором половине этого века.
Горячее, чем Солнце
На Солнце условия для синтеза естественным образом создаются благодаря мощной гравитационной силе, но без этой силы для начала реакции нужна еще более высокая температура, чем внутри Солнца. На Земле для синтеза дейтерия и трития требуется температура более 100 миллионов градусов по Цельсию, и в то же время необходимо контролировать давление и магнитные силы, чтобы гарантировать, что плазма остается стабильной и что реакция синтеза поддерживается достаточно долго для производит больше энергии, чем необходимо для этого.
Хотя условия, очень близкие к тем, которые требуются для термоядерного реактора, в настоящее время обычно воспроизводятся в экспериментах, улучшения в сдерживании и стабильности плазмы по-прежнему необходимы для поддержания реакции и устойчивого производства энергии. Ученые и инженеры по всему миру продолжают разрабатывать и тестировать новые материалы и технологии для производства чистой термоядерной энергии.
