Термоядерный синтез: в попытке воссоздать главную звезду нашей Солнечной системы
Сегодня в рубрике «
Развиваем науку вместе» рассказываем про
термоядерный синтез — реакцию, которая каждую секунду происходит в недрах Солнца и которую человечество уже
почти семьдесят лет пытается приручить на Земле.
Каждую секунду в недрах Солнца
атомы водорода сливаются в гелий, и
крошечная разница в массе улетает в космос в виде энергии — той самой, что через 150 миллионов километров пустоты греет нам лицо в солнечный день. Это и есть
термоядерный синтез. И человечество пытается устроить такую же реакцию у себя дома — только управляемую и полезную для наших нужд.
Что вообще происходит?
Внутри атомного ядра
протоны и нейтроны держатся вместе благодаря колоссальной энергии связи. Если взять два легких ядра — например,
изотопы водорода дейтерий и тритий — и заставить их слиться в одно ядро гелия, получившееся ядро окажется чуть легче, чем сумма исходных. Эта
«недостающая» масса превращается в энергию по формуле E=mc². Для одной пары ядер разница ничтожна, но реакций происходят миллиарды миллиардов, поэтому
суммарная энергия огромна.
Почему это не то же самое, что атомная станция?
Обычные
АЭС работают на делении — расщеплении тяжелых ядер урана на более легкие осколки.
Синтез — процесс обратный: слияние легких ядер в более тяжелые. У него есть заманчивые преимущества.
Топливо практически неисчерпаемо: дейтерий добывают из обычной морской воды, а тритий можно нарабатывать прямо в реакторе из лития.
Реакция не поддерживает себя сама — стоит чуть нарушить условия (температуру, магнитное поле), и она моментально гаснет, без риска расплавления активной зоны. И
долгоживущих радиоактивных отходов, характерных для деления, синтез практически не оставляет.
В чем главная сложность?
Чтобы ядра преодолели взаимное электрическое отталкивание и слились,
нужна температура в десятки и сотни миллионов градусов. На Солнце этому дополнительно помогает гравитационное сжатие в его ядре — а
на Земле такой «пресс» взять неоткуда. Поэтому инженерам приходится нагревать вещество даже сильнее, чем в солнечном ядре, и как-то удерживать этот раскаленный ионизированный газ — плазму, не давая ей коснуться стенок реактора:
любое касание мгновенно все охлаждает и разрушает оборудование.
Для удержания плазмы существует два основных подхода:
Магнитное удержание — плазму держит внутри камеры в форме бублика мощное магнитное поле. Эта схема называется
токамак и была изобретена в СССР еще в 1950-х годах.
Инерциальное удержание — крошечную топливную мишень на долю секунды сжимают со всех сторон
мощнейшие лазеры, как это делают в
американской лаборатории NIF и в строящейся российской установке
УФЛ-2М в Сарове.
Где мы сейчас?
Прогресс в последние годы заметно ускорился: в 2022 году
лаборатория NIF впервые в истории получила в лазерном эксперименте больше энергии, чем было затрачено на нагрев мишени. Но чтобы термоядерную энергию можно было использовать, о
дного короткого эксперимента мало — нужна установка, которая работает стабильно, долго и в масштабе, приближенном к промышленному.
А что в России?
Россия в этой гонке участвует
сразу на двух направлениях. С одной стороны, в Сарове специалисты Российского федерального ядерного центра — ВНИИЭФ (предприятие «Росатома») строят собственную
лазерную установку для термоядерного синтеза с инерциальным удержанием плазмы — УФЛ-2М. По задумке разработчиков, она должна подводить к мишени около 4,6 МДж энергии — это примерно вдвое больше, чем у американского NIF, что может сделать
УФЛ-2М самой мощной лазерной установкой в мире. Ключевые узлы, включая огромную камеру взаимодействия и первый лазерный модуль, уже собраны и испытаны, а
выход установки на полную проектную мощность ожидается к 2028–2029 годам.
С другой стороны,
Россия с самого начала один из семи участников проекта ITER, самого большого термоядерного реактора в истории, который строят на юге Франции силами уже 35 стран. О том,
что это за проект, как он устроен — читайте в следующем посте.