Искусственное солнце

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

Сила жизни Сила жизни

Александр Герасимов, рассказал нам о том, для чего горожане испытывают себя

Seasons of life
Дисциплина и реализм. Куда вкладываются самые осторожные инвесторы Дисциплина и реализм. Куда вкладываются самые осторожные инвесторы

Волатильность рынков хороша для одних инвесторов, но смертельна для других

Forbes
Доктор Будущее Доктор Будущее

Самые необычные предсказания Филипа Дика

Мир Фантастики
5 случаев, когда военные случайно теряли атомные бомбы 5 случаев, когда военные случайно теряли атомные бомбы

Эта статья о пяти местах на нашей планете, куда случайно падали ядерные бомбы

Maxim
«Прачечная-фигачечная» «Прачечная-фигачечная»

«Прачечная-фигачечная». Мысль о прачечной для бездомных сводит жителей с ума

Русский репортер
Два рояля Два рояля

Екатерина Сканави и Саша Стычкина — о том, как уживаются в доме две пианистки

Vogue
Места не столь разделенные Места не столь разделенные

Инициатива ФСИН отселять обвиняемых по экономическим статьям от уголовников

Огонёк
Екатерина Волкова: «В нашей семье – как на пороховой бочке, но это нормально» Екатерина Волкова: «В нашей семье – как на пороховой бочке, но это нормально»

Екатерина Волкова рассказывает о секретах брака

Лиза
Волк в кашемире. Правила бизнеса Бернара Арно Волк в кашемире. Правила бизнеса Бернара Арно

Богатейший предприниматель Франции и владелец Christian Dior

Forbes
«Я вылечила акне с помощью диеты»: реальная история «Я вылечила акне с помощью диеты»: реальная история

В войне с акне Лауре помогло радикальное изменение рациона

Cosmopolitan
Идеальный градостроитель Идеальный градостроитель

В природе существуют непревзойденные застройщики и ландшафтные дизайнеры — бобры

Вокруг света
В Томе кто-то есть В Томе кто-то есть

Том Харди пытается стащить крышку от аквариума из зоомагазина в Лондоне

Esquire
Серена Уильямс и скандал в финале Открытого чемпионата США — объяснение инцидента для чайников Серена Уильямс и скандал в финале Открытого чемпионата США — объяснение инцидента для чайников

Серена Уильямс и скандал в финале Открытого чемпионата США

Maxim
Мифы о героях. Чужие истории успеха вам не помогут Мифы о героях. Чужие истории успеха вам не помогут

Чужой успех не вдохновит вас примером

Forbes
Мальчик в девочке: маскулинный тренд с недели моды в Милане Мальчик в девочке: маскулинный тренд с недели моды в Милане

Как женщины стали сами себе принцами

Cosmopolitan
Своими словами Своими словами

Бейонсе не нуждается ни в представлении, ни в наших вопросах

Glamour
Самый безбашенный пилот “Формулы-1” покидает Ferrari Самый безбашенный пилот “Формулы-1” покидает Ferrari

Вспоминаем семь главных веселых выходок Кими Райкконена

Maxim
Арест в мертвом переулке Арест в мертвом переулке

Материалы первого уголовного дела писателя Юрия Домбровского

Огонёк
Звериное мышление Звериное мышление

Думают ли животные? И если да, то как это происходит?

National Geographic
Хороший малый. История успеха Марка Цукерберга Хороший малый. История успеха Марка Цукерберга

Марк Цукерберг освоил программирование и создал социальную сеть Facebook

Forbes
По всем фронтам. Как остаться профессионалом во время декрета По всем фронтам. Как остаться профессионалом во время декрета

После декретного отпуска женщина оказывается между двух огней

Forbes
Пальцем в небо Пальцем в небо

Лак для ногтей может привлечь удачу, если подобрать его под свой знак зодиака

Лиза
Театр и тексты Тони Роббинса Театр и тексты Тони Роббинса

Как звучит американская версия ответа на вечный русский вопрос «Что делать?»

Эксперт
Надя Михалкова: Надя Михалкова:

Надя Михалкова: "Самое важное для меня — дети, но и без работы сидеть не могу"

Cosmopolitan
Стандарт под распил Стандарт под распил

В новостройках может появиться деревянная меблировка

РБК
Телеканал ТНТ Music и рэпер ST запускают новое поэтическое шоу Телеканал ТНТ Music и рэпер ST запускают новое поэтическое шоу

Абсолютно новое поэтическое шоу — Суперстихи

Cosmopolitan
В эпицентре ледяного взрыва В эпицентре ледяного взрыва

Российские ученые разгадали загадку происхождения гигантского кратера

Огонёк
10 признаков зависимого расстройства личности 10 признаков зависимого расстройства личности

По каким признакам можно распознать зависимое расстройство личности

Psychologies
Автобусы хотят попасть в сеть Автобусы хотят попасть в сеть

Российские автопроизводители осваивают новый вид транспорта — электробусы

Эксперт
Сотвори себе Q мира... Сотвори себе Q мира...

Появление Audi Q2 вынудило Q3 подрасти — теперь это не самая младшая модель

Quattroruote
Открыть в приложении