Термоядерная энергетика

Мир ФантастикиНаука

Искусственное солнце

Термоядерная энергетика

Текст: Игорь Край

0:00 /
1409.103

Управляемый термоядерный синтез — чудо, которое давно ждут и которое всё никак не станет реальностью. Ничего эффективнее построенной на термоядерном синтезе энергетики быть не может. После изобретения термоядерных электростанций энергии станет столько, что хватит всем, притом почти даром. Но титанические усилия учёных до сих пор не увенчались успехом, хотя бьются над этой проблемой уже больше полувека. Так достижимо ли термоядерное совершенство?

Энергия звёзд

Термоядерный синтез гелия из водорода — самая распространённая реакция во Вселенной. И самая эффективная в плане выхода энергии по отношению к массе использованного горючего. А ещё, вероятно, самая экономичная, поскольку во Вселенной вообще мало что есть, кроме водорода.

Если мы получаем энергию не путём термоядерного синтеза, то мы получаем её неоптимальным способом. Любой другой источник заведомо менее производителен, потребляет топливо, запасы которого (по сравнению с запасами водорода) ограничены, а зачастую оно ещё и отравляет окружающую среду отходами. У термоядерного реактора в этом отношении всё идеально, гелий-то не отход, а безвредный газ для воздушных шариков.

И всё же идея термоядерной энергетики не особо популярна у фантастов. Откуда берётся электроэнергия в процветающих мирах будущего, обычно не говорят вообще или упоминают какой-нибудь люксоген с дробной пространственной размерностью. Писатели интуитивно чуяли связанный с термоядерным синтезом подвох. Учёные же, напротив, долгое время принципиальных затруднений не предвидели.

Первыми спровоцировать термоядерные реакции пытались ещё учёные нацистской Германии. Немцы наивно надеялись вызвать детонацию тяжёлого водорода химической взрывчаткой и помещали дейтерий внутрь кумулятивной воронки (на фото — немецкий ядерный объект в 1945 году)

В 1950-x проблема казалась сложной, но разрешимой. Правда, в ту технооптимистичную эпоху «сложной, но разрешимой» считалась вообще любая задача, которую удалось чётко сформулировать. В 1960-е футурологи, опираясь на аналогию с ядерной и водородной бомбами, уверенно предсказывали, что эпоха термоядерной энергетики наступит через десять-пятнадцать лет после строительства первой АЭС. Физики не возражали.

Ни в 1970-е , ни в 1980-е водородные электростанции не появились. Но учёные не сомневались: промышленный синтез возможен даже с доступными технологиями, если их правильно применить.

К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Прогноз ухудшили до двадцати пяти лет. А в начале XXI столетия — до пятидесяти. Теоретические знания углубились настолько, что стало непонятно, с какой стороны подступиться к задаче.

Солнечные, приливные, ветровые и даже гидроэлектростанции используют энергию Солнца. То есть термоядерную. Так что именовать эти источники «возобновляемыми» неправильно. Никто новый водород на Солнце не подвозит!

Суть проблемы

Проблема в том, что реакции синтеза отличаются высоким порогом. Тяжёлое ядро урана норовит распасться само по себе, но протоны — ядра водорода — отталкиваются друг от друга кулоновской силой. Если сломить сопротивление одноимённых зарядов, то при слиянии частиц выделится несравненно больше энергии, чем затрачено. Но без первоначальных «вложений» не обойтись.

Казалось бы, мелочь. Ну порог, ну и что? С точки зрения физики высоких энергий это не порог, а курам на смех! Мощный ускоритель частиц не просто столкнёт протоны лбами, он расплющит их друг о друга в кварк-глюонную плазму! Но кварки нам не нужны. Так что берём синхротрон попроще и направляем пучок протонов на мишень из содержащего водород материала. Порог реакции будет преодолеваться, и в мишени начнётся синтез.

Электроядерные реакторы существуют несколько десятилетий и , кроме экспериментальных целей, применяются для производства ценных изотопов. Но вырабатывать энергию таким способом, увы, нельзя. Ядро атома водорода по сравнению с самим атомом очень мало, и попасть «ускоренным» протоном в яблочко мишени трудно. «Снаряд» просто увязнет в бесконечных электронных оболочках, растратив энергию на нагрев мишени, и никакой термоядерной реакции не произойдёт. Можно избавиться от электронов, пустив навстречу друг другу пучки полностью ионизированных частиц, но принципиально ситуацию это не изменит. Столкновения будут слишком редкими, чтобы выход от термоядерных реакций оправдал затраты на разгон частиц.

Термоядерный синтез окажется экономически целесообразным, только если реакция станет цепной: чтобы необходимая для преодоления барьера температура в камере сгорания достигалась за счёт самого синтеза ядер.

Что же касается «холодного» синтеза, о его «открытии» время от времени объявляют ещё с 1990-х . Изобретатели, правда, никогда не уточняют, какая именно из термоядерных реакций у них произошла. Ведь реакцию синтеза опознают по продуктам, вылетающим из активной зоны. Если при «холодном синтезе» нет радиации — значит, нет и синтеза.

Плазма

Вторая часть проблемы в том, что проводить протон-протонный синтез не только сложно, но и бессмысленно. При столкновении двух протонов рождается дейтрон — состоящее из протона и нейтрона ядро тяжёлого водорода, плюс позитрон и нейтрино. Львиную долю энергии уносит нейтрино, проходящее сквозь нашу планету, как свет сквозь стекло, и , как следствие, малопригодное для кипячения воды.

Вот и получается, что, хотя водорода во Вселенной много, экономике от него пользы никакой. В недрах Солнца протон-протонный синтез — лишь первый шаг водород-гелиевого цикла, ведь четыре ядра водорода сливаются в ядро гелия не разом, а в три приёма. Но для завершения цикла важно, чтобы промежуточные продукты синтеза — дейтерий и гелий-3 — не покидали зону реакции, а энергия, выделившаяся на предыдущем этапе, упрощала преодоление барьера реакции на следующем. Звёзды способны это обеспечить. Водород в их ядрах находится в сверхтвёрдой и сверхплотной («металлической») форме. Ядрам дейтерия и гелия-3 просто некуда деться!

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Доктор Будущее Доктор Будущее

Самые необычные предсказания Филипа Дика

Мир Фантастики
Попробуй перестать на них смотреть: 9 актрис с самой большой грудью Попробуй перестать на них смотреть: 9 актрис с самой большой грудью

Признайся, тебе ведь интересно, у кого из актрис самая большая грудь?

Playboy
Невезучие гении, не дожившие до славы совсем чуть-чуть. Часть II Невезучие гении, не дожившие до славы совсем чуть-чуть. Часть II

Гении прошлого, умершие в тот момент, когда у них все должно было получиться

Maxim
10 крупнейших работодателей России среди частных компаний — 2018 10 крупнейших работодателей России среди частных компаний — 2018

В десятке крупнейших частных компаний работает суммарно более 1,1 млн человек

Forbes
Косплей | Elanor-Elwyn & Yoshitsune Косплей | Elanor-Elwyn & Yoshitsune

Elanor-Elwyn & Yoshitsune: «Переключаться между героями очень интересно!»

Мир Фантастики
На экраны выходит обворожительная криминальная комедия: «Мир принадлежит тебе» На экраны выходит обворожительная криминальная комедия: «Мир принадлежит тебе»

За полтора часа французы доказали, что умеют лучше Голливуда

Maxim
Превратности климата. Станет ли Севморпуть новым Суэцким каналом Превратности климата. Станет ли Севморпуть новым Суэцким каналом

Превратности климата. Станет ли Севморпуть новым Суэцким каналом

Forbes
Пять главных неприятностей ОСАГО Пять главных неприятностей ОСАГО

Пять главных неприятностей ОСАГО

АвтоМир
Воспитание чувств Воспитание чувств

Ольга Карпуть о том, как воспитать ребенка, не ограничивая его свободу

Vogue
Молодильное яблоко: зачем руководителю быть ближе к молодым сотрудникам Молодильное яблоко: зачем руководителю быть ближе к молодым сотрудникам

Направьте свой интеллект на адаптацию к меняющейся среде

Forbes
Объявлена страна, в которой пройдет Евро-2024 Объявлена страна, в которой пройдет Евро-2024

Германия или Турция? Жребий УЕФА брошен, и вот в кого он попал

Maxim
«Неправильная» кухня. Заблуждения о приготовлении пищи «Неправильная» кухня. Заблуждения о приготовлении пищи

Полезные свойства продуктов зависят от способа приготовления и хранения

9 месяцев
(Не) свободный художник (Не) свободный художник

Обсуждаем плюсы и минусы фриланса

Psychologies
Будь готов, генацвале! Будь готов, генацвале!

Будь готов, генацвале! Путешествие в Грузию

АвтоМир
Полицейский Полицейский

Чего боится сотрудник ППС, что такое «палочная система» и как открыть наручники

Maxim
8 осенних кампейнов со знаменитостями 8 осенних кампейнов со знаменитостями

От Сергея Полунина в Balmain до Ники Минаж в новой рекламе Diesel

Esquire
Черной-черной ночью… Черной-черной ночью…

Кошмары снятся всем. Но зачем они нам нужны?

Psychologies
Форма воды. Водородное топливо будет дешевле бензина Форма воды. Водородное топливо будет дешевле бензина

Форма воды. Водородное топливо будет дешевле бензина

Forbes
16 впечатляющих кадров дикой природы 16 впечатляющих кадров дикой природы

Работы, вошедшие в шортлист премии Wildlife Photographer Of The Year 2018

Esquire
Гладиаторские бои. Как с честью выйти из публичного конфликта Гладиаторские бои. Как с честью выйти из публичного конфликта

Каждый может проснуться героем общественного скандала

Forbes
Что ожидать от Недели моды в Нью-Йорке Что ожидать от Недели моды в Нью-Йорке

Раскрываем секреты сезона весна-лето 2019

Vogue
Жилые мегалиты, граната для выживания и другие потрясающие фотографии Жилые мегалиты, граната для выживания и другие потрясающие фотографии

Фото самых красивых и эффектных в визуальном плане технических новинок и событий

Популярная механика
Долгие проводы внешнего долга Долгие проводы внешнего долга

Государство готово перейти от внешних займов к внутренним

Эксперт
Наследственные болезни. Не пострадает ли малыш? Наследственные болезни. Не пострадает ли малыш?

Стоит ли проходить тесты на наследственные заболевания во время беременности

9 месяцев
От «Как так?!» до «Блин, только не это»: популярные ЗППП и 6 способов их избежать От «Как так?!» до «Блин, только не это»: популярные ЗППП и 6 способов их избежать

От «Как так?!» до «Блин, только не это»: популярные ЗППП и способы их избежать

Playboy
Баста: «Моя главная задача – воспитать дочерей» Баста: «Моя главная задача – воспитать дочерей»

Cosmo поговорил c музыкантом и композитором Василием Вакуленко

Cosmopolitan
Девушки, перестаньте накачивать губы! Девушки, перестаньте накачивать губы!

Журнал MAXIM выдвигает всем женщинам страны ультиматум

Maxim
Твой босс тиран и деспот? 7 способов ужиться с тяжелым начальником Твой босс тиран и деспот? 7 способов ужиться с тяжелым начальником

7 способов ужиться с тяжелым начальником. Заказное убийство не предлагаем

Playboy
«В моей жизни было камео Стэна Ли» «В моей жизни было камео Стэна Ли»

Беседа с комиксистом Райаном Нортом

Мир Фантастики
Где взять деньги на собственный модный показ Где взять деньги на собственный модный показ

Где бренды находят деньги на свои показы?

Vogue
Открыть в приложении