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
«Мир огромен, я еще молод». Чем запомнится Джек Ма во главе Alibaba «Мир огромен, я еще молод». Чем запомнится Джек Ма во главе Alibaba

Основатель интернет-гиганта Alibaba решил уйти с поста председателя правления

Forbes
Введение в Теорию всего: просто – о главной цели современной физики Введение в Теорию всего: просто – о главной цели современной физики

В основе слова «физика» – древнегреческое φύσις, что означает «природа»

Naked Science
Восточное наследство. Кому достались российские миллиарды Мухтара Аблязова Восточное наследство. Кому достались российские миллиарды Мухтара Аблязова

Восточное наследство. Кому достались российские миллиарды Мухтара Аблязова

Forbes
Если бы | Инопланетяне и их обычаи Если бы | Инопланетяне и их обычаи

Жители Галактики. Инопланетяне и их обычаи

Мир Фантастики
Крепкий фундамент: зарубежная недвижимость участников списка Forbes Крепкий фундамент: зарубежная недвижимость участников списка Forbes

От Тель-Авива до Новой Зеландии — где покупают дома богатейшие бизнесмены России

Forbes
Любовь, дружба и Риналь Любовь, дружба и Риналь

Риналь Мухаметов и Любовь Аксенова в одном фильме

Glamour
Великий рейдер. История успеха Карла Айкана Великий рейдер. История успеха Карла Айкана

Отец Карла Айкана не позволил тому поступить в престижную школу

Forbes
Из стекла и металла: материалы, из которых делают секс-игрушки Из стекла и металла: материалы, из которых делают секс-игрушки

О том, из чего изготавливают секс-девайсы и какие материалы предпочтительнее

Cosmopolitan
Когда пора? Доходчивый и не слишком заумный гид по зимним шинам Когда пора? Доходчивый и не слишком заумный гид по зимним шинам

Все, что нужно знать о резине, и ничего лишнего

Maxim
«Мы не берем маски домой» «Мы не берем маски домой»

Звездные супруги Пенелопа Крус и Хавьер Бардем снова играют влюбленных

Cosmopolitan
Слушаем 6 самых горячих музыкальных релизов пятницы! (и мы счастливы) Слушаем 6 самых горячих музыкальных релизов пятницы! (и мы счастливы)

Парочка не пятничных сюрпризов

Playboy
Делай как мы Делай как мы

Откуда героини «Татлера» берут силы на работу, детей и светскую жизнь

Tatler
Что происходит в мужской моде прямо сейчас? Что происходит в мужской моде прямо сейчас?

Вот все, что вы должны знать о современных трендах и тенденциях

GQ
Оттолкнулись от дна. Курс доллара вернется к уровню 60-65 рублей Оттолкнулись от дна. Курс доллара вернется к уровню 60-65 рублей

До конца этого года у российской валюты есть шанс укрепиться

Forbes
Тайские кулинарные традиции Тайские кулинарные традиции

Тайская кухня: вкусная и полезная экзотика

9 месяцев
Автобусы хотят попасть в сеть Автобусы хотят попасть в сеть

Российские автопроизводители осваивают новый вид транспорта — электробусы

Эксперт
Новые способы читать послания своей души Новые способы читать послания своей души

Как расшифровать символический язык снов

Psychologies
Рожать собираетесь? Как отвечать на неловкие вопросы на собеседовании Рожать собираетесь? Как отвечать на неловкие вопросы на собеседовании

В арсенале рекрутеров есть вопросы, за которыми кроется интерес к личной жизни

Forbes
Туча над Уолл-стрит. Стоит ли сейчас покупать американские акции Туча над Уолл-стрит. Стоит ли сейчас покупать американские акции

Индекс S&P 500 сейчас находится вблизи исторических максимумов

Forbes
Андрей Белоусов в образе «совы-стратега» Андрей Белоусов в образе «совы-стратега»

Что случится, если будет принято решение об изъятии «сверхдоходов» у металлургов

СНОБ
Kia Picanto: младшенький Kia Picanto: младшенький

Какой пример берет со своих старших братьев по марке хэтчбек Kia Picanto

АвтоМир
Павел Воля: Павел Воля:

Простой пензенский парень Павел Воля дал эксклюзивное интервью Cosmo

Cosmopolitan
Восемь муз Сержа Генсбура Восемь муз Сержа Генсбура

Восемь прекрасных женщин, которые вдохновляли Сержа Генсбура

Vogue
10 малоизвестных производителей самолётов Канады 10 малоизвестных производителей самолётов Канады

В Канаде далеко не одна фирма, производящая самолёты на любой вкус

Популярная механика
Как сделать кухню модной Как сделать кухню модной

Как сделать кухню модной. Превращаем бытовую комнату в пространство для отдыха

Vogue
8 причин, по которым мы боимся взрослеть 8 причин, по которым мы боимся взрослеть

8 причин, по которым мы боимся взрослеть

Psychologies
Демография изменит рынок жилья Демография изменит рынок жилья

Старение населения и сокращение молодых покупателей изменят правила на рынке

Эксперт
Че­ло­век, ко­то­рый из­ме­нил всех Че­ло­век, ко­то­рый из­ме­нил всех

Ольга Михайловская встретилась с создателями картины «Секс, мо­да и дис­ко»

Vogue
Пески вне времени Пески вне времени

Экс­пе­ди­ция Porsche Experience в са­мую древ­нюю пу­сты­ню ми­ра

GQ
Открыть в приложении