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
В статусе В статусе

Подчёркнуто респектабельный, солидный интерьер с советской символикой

SALON-Interior
Обезжиренные продукты: почему от них стоит отказаться раз и навсегда Обезжиренные продукты: почему от них стоит отказаться раз и навсегда

Почему продукты с нулевой жирностью – не лучший выбор для последователей ЗОЖ

Домашний Очаг
Гамарджоба, Джорджия Гамарджоба, Джорджия

Грузия — главный тренд мирового гастротуризма этого года

Robb Report
Грезы Лаврентьевой горы Грезы Лаврентьевой горы

В майские дни Прага расцветает. А в себя она влюбляет круглый год — и навсегда

GEO
Зоопанк Зоопанк

Не бывает омерзительных животных – бывает лишь слабый желудок и рвотная реакция

Maxim
Колосс на глиняных ногах. «Газпром» стоит дешевле «Новатэка» Колосс на глиняных ногах. «Газпром» стоит дешевле «Новатэка»

Колосс на глиняных ногах. «Газпром» стоит дешевле «Новатэка»

Forbes
Личность формируется еще до рождения? Личность формируется еще до рождения?

Правда ли, что черты характера и вкусы формируются задолго до появления на свет

Psychologies
Меж двух огней: решится ли ЦБ на увеличение ключевой ставки Меж двух огней: решится ли ЦБ на увеличение ключевой ставки

У Банка России достаточно причин как сохранить ставку, так и повысить ее

Forbes
Плач Серены. Что мы знаем о Наоми Осака — новой звезде мирового тенниса Плач Серены. Что мы знаем о Наоми Осака — новой звезде мирового тенниса

Как 20-летняя японка шла к победе над своим кумиром детства

Forbes
Тощие годы. Медведев предрек трудности российской экономике Тощие годы. Медведев предрек трудности российской экономике

Ближайшие шесть лет окажутся сложными

Forbes
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
Сказочные возможности Сказочные возможности

Интервью с главой компании Disney в России и СНГ Мариной Жигаловой-Озкан

Cosmopolitan
Как голод превращается в раздражительность Как голод превращается в раздражительность

Как телесные ощущения воздействуют на эмоции

Psychologies
Триумф арки Триумф арки

Арка — выразительная деталь пространства, модный декоративный мотив

SALON-Interior
Сотри это немедленно: маникюр, который раздражает мужчин Сотри это немедленно: маникюр, который раздражает мужчин

Какой маникюр не нравится мужчинам

Cosmopolitan
Shadow of the Tomb Raider Shadow of the Tomb Raider

Такая несмелая Shadow of the Tomb Raider

Игромания
А принесите то, которое самое норм! Как дегустировать вино и не опозориться А принесите то, которое самое норм! Как дегустировать вино и не опозориться

Мы рассказываем, как надо пробовать вино и зачем вести себя, как сноб

Playboy
Египетская сила Египетская сила

Молодой рэпер Pharaoh о статусе рок-звезды, протестах юности, хейтерах и дебошах

Vogue
Лифчик на миллион: самые дорогие бюстгальтеры Victoria's Secret Лифчик на миллион: самые дорогие бюстгальтеры Victoria's Secret

Кто демонстрировал самые дорогие бюстгальтеры Victoria’s Secret

Cosmopolitan
8 фактов о Pink Floyd и Роджере Уотерсе 8 фактов о Pink Floyd и Роджере Уотерсе

Вспоминаем Роджера Уотерса — основателя группы Pink Floyd

Maxim
Крадущийся тигр: Успех Huawei в России Крадущийся тигр: Успех Huawei в России

Что сделало компанию Huawei лидером российского рынка

РБК
Миллиардеры Михельсон и Тимченко разбогатели на $1,4 млрд за день Миллиардеры Михельсон и Тимченко разбогатели на $1,4 млрд за день

Миллиардеры Михельсон и Тимченко разбогатели на $1,4 млрд за день

Forbes
Жесткий контракт. Может ли частное лицо заработать на господряде Жесткий контракт. Может ли частное лицо заработать на господряде

Получить и обеспечить господряд под силу далеко не каждому

Forbes
Самые яркие звездные пары на телепремии Самые яркие звездные пары на телепремии

Самые яркие звездные пары на телепремии "Эмми 2018" в Лос-Анджелесе

Cosmopolitan
Лас-Лахас, Колумбия Лас-Лахас, Колумбия

Храм Лас-Лахас два берега реки соединяет на отлично

Maxim
Квартира с картинной галереей Квартира с картинной галереей

Акцент в этой двухуровневой лондонской квартире сделан на искусство

AD
Вслед за черным золотом. Рубль вновь стал зависеть от цен на нефть Вслед за черным золотом. Рубль вновь стал зависеть от цен на нефть

Альфа-Банк обратил внимание на увеличение зависимости рубля от нефтяных цен

Forbes
Миллиарды на диване Миллиарды на диване

Сеть Hoff превратила кризис в источник роста

РБК
Виктория Лопырева: «У меня иммунитет на завистниц» Виктория Лопырева: «У меня иммунитет на завистниц»

Модель Виктория Лопырева о дружбе с бывшим мужем, предательстве и новом романе

StarHit
Открыть в приложении