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
Россия нас не забудет Россия нас не забудет

Гендиректор «Сибура» Михаил Карисалов занимается добычей потерянных сокровищ

Tatler
Это и правда мигрень? Это и правда мигрень?

По разным данным от мигрени страдают 11–25% женщин и 4–10% мужчин

Домашний Очаг
7 белых вещей, которые ты обязан перестать стебать и начать носить 7 белых вещей, которые ты обязан перестать стебать и начать носить

7 белых вещей, которые ты обязан перестать стебать и начать носить

Playboy
Лучшие видеоигры | Assassin’s Creed. Одиссея Лучшие видеоигры | Assassin’s Creed. Одиссея

Assassin’s Creed. Одиссея

Мир Фантастики
Девушки, перестаньте накачивать губы! Девушки, перестаньте накачивать губы!

Журнал MAXIM выдвигает всем женщинам страны ультиматум

Maxim
Индекс курицы. Почему в России не едят рыбу Индекс курицы. Почему в России не едят рыбу

Почти 40% населения страны не покупают, не готовят и не едят рыбу вообще

Forbes
Надо поднажать: почему женщины страдают трудоголизмом Надо поднажать: почему женщины страдают трудоголизмом

Трудоголизм — та же зависимость

Forbes
Заглянуть во тьму: как устроена черная дыра Заглянуть во тьму: как устроена черная дыра

Астрономы рассмотрели, как объект размером с Землю исчезает в черной дыре

Forbes
Долгие проводы внешнего долга Долгие проводы внешнего долга

Государство готово перейти от внешних займов к внутренним

Эксперт
Перезапуск «Магнита» Перезапуск «Магнита»

Ольге Наумовой нужно победить своего бывшего работодателя

РБК
Мужчины, вас обманули! Лабковский о ложности выбора «карьера или семья» Мужчины, вас обманули! Лабковский о ложности выбора «карьера или семья»

Мужчине вовсе не обязательно делать выбор между карьерой и личной жизнью

Playboy
Forbes составил очередной рейтинг крупнейших частных компаний Forbes составил очередной рейтинг крупнейших частных компаний

Лучшие результаты в рейтинге 2018 года показали угольщики и строители

Forbes
Разрушители стереотипов Разрушители стереотипов

Сеул вносит разнообразие в Ceed двумя новинками: фастбеком и кроссовером.

Quattroruote
Двадцать девять лет, чтобы понять, как стоит жить Двадцать девять лет, чтобы понять, как стоит жить

Двадцать девять лет, чтобы понять, как стоит жить

Psychologies
Как легендарный streetstyle-фотограф Билл Каннингем повлиял на моду Как легендарный streetstyle-фотограф Билл Каннингем повлиял на моду

Как легендарный streetstyle-фотограф Билл Каннингем повлиял на моду

Vogue
Теснота Теснота

Вместе с ветхим жильем из ЦАО пропадут и коммуналки

Esquire
Много больше: почему «Манчестер Юнайтед» дорожает даже без трофеев Много больше: почему «Манчестер Юнайтед» дорожает даже без трофеев

Много больше: почему «Манчестер Юнайтед» дорожает даже без трофеев

Forbes
Политика под давлением экономического застоя Политика под давлением экономического застоя

Результаты выборов 9 сентября оказались неприятными для власти

Эксперт
Советский День Д: высадка на Курилы Советский День Д: высадка на Курилы

Как красноармейцы повторили знаменитую высадку в Нормандии

Maxim
Тогда и сейчас: как изменилась графика 16 популярных компьютерных игр Тогда и сейчас: как изменилась графика 16 популярных компьютерных игр

Тогда и сейчас: как изменилась графика 16 популярных компьютерных игр

Playboy
Тайские кулинарные традиции Тайские кулинарные традиции

Тайская кухня: вкусная и полезная экзотика

9 месяцев
Мышцы как у пахана: комплекс упражнений от автора книги «Фитнес в одиночной камере» Мышцы как у пахана: комплекс упражнений от автора книги «Фитнес в одиночной камере»

Тебе не понадобится ничего, кроме собственного тела и пары подручных предметов

Maxim
Три пути Кремля. Избиратели недовольны, но перемен не хотят Три пути Кремля. Избиратели недовольны, но перемен не хотят

В ряде регионов выборы губернаторов вышли из под контроля

Forbes
Как украинский дизайнер в одночасье прославился благодаря Джиджи Хадид Как украинский дизайнер в одночасье прославился благодаря Джиджи Хадид

На аллее модной славы зажглась звезда Эльвиры Гасановой

Vogue
Жизнь за Нер-Зула! Жизнь за Нер-Зула!

Тёмные культы и мраккультисты

Мир Фантастики
Беспокойный союз. Отношения Минска и Москвы дали трещину Беспокойный союз. Отношения Минска и Москвы дали трещину

Беспокойный союз. Отношения Минска и Москвы дали трещину

Forbes
Золотые руки Золотые руки

Декоратор Анн-Софи Пайере и заказчица обожают золото и блеск

AD
Алексей Учитель: «Фильм можно запретить, только если он нарушает законы государства» Алексей Учитель: «Фильм можно запретить, только если он нарушает законы государства»

Алексей Учитель — почему не каждый человек со смартфоном может стать режиссером

Forbes
Вечная молодость Вечная молодость

Как работают самые модные ингредиенты антивозрастных средств

Добрые советы
Открыть в приложении