Термоядерную реакцию приручили?

Недавно американские физики смогли построить модель протекания термоядерной реакции в нормальных условиях с положительной энергоотдачей. При ее построении ученые как бы соединили два имеющихся метода удержания плазмы — магнитный и инерционный. По их расчетам, энергетический выигрыш от данной термоядерной реакции превысил затраты в 100 раз.

Фото:

Ученые многих стран мира уже давно пытаются добиться осуществления термоядерного синтеза при низких температурах (речь, соответственно, идет об управляемой термоядерной реакции — неуправляемая давно уже используется в термоядерном оружии). Если это удастся сделать, то тогда человечество получит новый способ добычи энергии. Причем этой энергии при ничтожном количестве сырья в процессе реакции выделяется столько, сколько сейчас не дают все АЭС мира.

Но сделать это не так-то просто. Ведь что такое термоядерный синтез? Это процесс объединения легких атомных ядер в более тяжелые. В результате этого объединения та самая энергия и выделяется.

Однако вся проблема заключается в том, что для того, чтобы эти атомные ядра объединились, их нужно подвести друг к другу вплотную. То есть на то расстояние, где начинает действовать сильное взаимодействие, удерживающее в ядре протоны и нейтроны. Это расстояние равно примерно диаметру самого ядра.

Все бы ничего, но вот беда — при подведении атомов друг к другу на куда больших расстояниях начинают действовать силы электростатического отталкивания (как и между всеми одноименными заряженными частицами). И для того, чтобы преодолеть их, нужно чудовищной силы давление.

В недрах звезд, где очень сильно гравитационное сжатие, создавать такое давление достаточно просто (потому-то там все время идут термоядерные реакции, обеспечивающие выделение большого количества энергии в виде света и тепла). А вот на Земле это сделать сложно. Для создания такого давления нужно затратить такое количество энергии, что оно в несколько раз превысит энергоотдачу самой реакции.

Тем не менее, некоторые методики по осуществлению термоядерной реакции в плазме при обычных условиях все-таки имеются. Одну из них разработали в нашей стране известные физики А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм. Согласно их разработке, плазму можно удерживать в небольшом объеме посредством магнитного поля. И если одновременно пропустить сквозь нее электрический ток, то возникнет полоидальное поле, которое необходимо для сжатия, разогрева и удержания равновесия плазмы. В таких условиях может начаться управляемая термоядерная реакция.

Вскоре была создана установка, которая обеспечивала такое магнитное удержание и разогрев плазмы. Ее назвали токамак (тороидальная камера с магнитными катушками, термин был предложен И.Н. Головиным). А в 1956 году сотрудниками Института атомной энергии имени И.В. Курчатова под руководством академика Арцимовича смогли добиться разогрева плазмы в токамаке до 10 миллионов градусов. Этой температуры вполне достаточно для начала термоядерной реакции. Однако долго удерживать плазму магнитным полем пока не получается.

Другой метод, называемый инерционным удержанием плазмы, разработали американские физики. Суть его заключается в следующем — плазму, которая удерживается силами собственной инерции, равномерно разогревают с использованием мощных лазеров. При этом способе плазму удается удерживать дольше, чем в токамаках. Но вот беда — сам разогрев идет очень медленно. И лазеры очень много энергии потребляют.

И вот недавно американские ученые из Национальной лаборатории Сандиа (США), похоже, смогли решить эти проблемы. Для запуска управляемой термоядерной реакции они предложили объединить оба метода. Ими была построена компьютерная модель, которая показала, что при таком подходе термоядерный синтез, дающий энергетический выигрыш (то есть количество образовавшейся в его процессе энергии будет больше, чем количество затраченной) вполне возможен.

Суть этой модели заключается в следующем. Берется смесь из двух изотопов водорода, дейтерия и трития и помещается в небольшой цилиндр. Этот цилиндр сначала разогревается лазером. Это дает начало синтезу. После разогретую плазму в цилиндре помещают в магнитное поле. Оно, согласно расчетам, позволяет частицам, в том числе альфа-частицам (ядрам гелия), образующимся в результате реакции, не покидать точку синтеза, а оставаться там, поддерживая температуру дейтериево-тритиевой плазмы высокой. И это приводит не к угасанию, а наоборот, к возобновлению термоядерных реакций.

Таким образом, разогретый цилиндр играл роль запала, начинающего реакцию. А магнитное поле не давало полученной в ходе первичного синтеза энергии сразу рассеиваться. Таким образом термоядерный синтез начинал поддерживать сам себя без дополнительных избыточных энергозатрат.

Согласно расчетам, при подаче тока в 60 МА для стимулирования начала реакции, на выходе уже можно получить 6000 МА. То есть энергоотдача превысила энергозатраты в 100 раз. Но это еще не все. Модель показала, что при росте мощности ввода энергоотдача растет прогрессивно: при энергозатратах в 70 МА она составила уже 70 000 МА.

"Теперь мы должны понять, позволит ли природа сделать это на практике. С принципиальной точки зрения, никаких проблем не должно быть", — говорит Стив Слатц, ведущий автор исследования. Правда, пока это сделать не так просто. Дело в том, что имеющееся сегодня в Sandia Lab оборудование не способно дать более 26 МА. При таких характеристиках на нем можно получить лишь состояние равновесия дейтериево-тритиевой смеси, когда затрачиваемая энергия будет полностью возвращаться за счет реакции синтеза ядер атомов. А вот энергетический выигрыш, увы, недостижим.

Однако ученые не унывают. Сейчас они ведут подготовку нового экспериментального оборудования. Если все пойдет так, как они рассчитывают, опытная проверка модели состоится в конце 2013 года. И, возможно, тогда в мире настанет новая эра — Эра приручения термоядерной энергии…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"