Сможет ли управляемый термоядерный синтез заменить углеводородное топливо

Наука и жизньНаука

Энергия на длинную дистанцию

Сергей Васильев, научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (г. Новосибирск)

Токамак JET, вид изнутри (2013 год). Слева видны манипуляторы робота MASCOT, предназначенного для обслуживания установки.

Одна из основных задач человечества в настоящее время — поиск источников энергии, альтернативных углеводородным. Ими могут быть, например, падающая вода, распад ядер тяжёлых элементов, ветер, солнечное излучение и тому подобное. Но все эти источники, по тем или иным причинам, не способны полностью заменить человечеству углеводородное топливо.

Гидроэнергетика обладает рядом преимуществ по сравнению с другими источниками энергии, например низкой себестоимостью (примерно в 4 раза дешевле энергии тепловых электростанций) и быстрой окупаемостью, тем не менее она не может полностью обеспечить энергетические потребности человечества.

Производство атомной энергии сопряжено с рисками аварий и радиоактивного загрязнения окружающей среды. Кроме того, согласно докладу «World Nuclear Industry Status Report» (2019), атомная энергия в 3—4 раза дороже солнечной и ветряной.

Ветроэлектростанции могут обеспечить регулярное производство лишь небольшого количества электроэнергии, поскольку ветер — крайне неустойчивый источник энергии. Период эксплуатации ветра для получения электроэнергии составляет от 25 до 40% от всего времени работы ветроэлектростанции в зависимости от географического положения и конструкции турбины.

Солнечная энергия, как и энергия ветра, неустойчива: солнечный свет отсутствует в ночное время, а также в пасмурные дни, что приводит к необходимости аккумулирования энергии. Солнечные электростанции экологически безопасны во время эксплуатации, но могут нанести вред окружающей среде на этапах производства и утилизации аккумуляторов и солнечных панелей.

Кроме того, количество энергии, которое можно получить с единицы площади солнечной электростанции, относительно мало, то есть такие источники энергии могут служит лишь в качестве дополнительных, а не основных.

Подражая звёздам

На данный момент единственная достойная альтернатива углеводородному топливу — управляемый термоядерный синтез. Термоядерные реакции — основной источник энергии во Вселенной. Их энергозапас грандиозен. Благодаря этим реакциям существуют звёзды, в том числе и наше Солнце, поток излучения которого делает возможной жизнь на Земле. Откуда же берётся такая колоссальная энергия?

Как известно, ядра атомов состоят из нуклонов — протонов и нейтронов. Опытным путём установлено, что масса ядра меньше массы составляющих его нуклонов. Разницу масс называют дефектом масс (Δm). Как такое возможно? Современная физика утверждает, что часть массы нуклонов при их соединении в одно ядро превратилась в энергию излучения и кинетическую энергию частиц. Масса и энергия взаимосвязаны — это важнейший вывод специальной теории относительности, разработанной А. Эйнштейном. Масса может переходить в энергию, а энергия — в массу. Тело массой m обладает энергией, называемой энергией покоя E0 = mc2, где с — скорость света в вакууме, равная приблизительно 3∙108 м/с. На сегодняшний день это одна из самых известных формул в физике. Выделившаяся при таком преобразовании массы нуклонов энергия называется энергией связи и определяется как Eсв = Δmс2. Отношение энергии связи ядра к числу нуклонов в ядре называется удельной энергией связи, то есть энергией связи, приходящейся на один нуклон. Зная массы ядер различных химических элементов и массы протона и нейтрона (их устанавливают экспериментально с помощью специальных детекторов), можно определить энергии связи ядер этих химических элементов.

В ядрах нуклоны удерживаются вместе ядерными силами. Эти силы являются короткодействующими: они существенны на расстоянии порядка размера нуклона, 10–15 м, это в тысячи раз меньше самых маленьких атомов. На таких расстояниях ядерные силы намного превосходят электростатические силы отталкивания, действующие между протонами и являющиеся сравнительно дальнодействующими. Для того чтобы «разобрать» ядро на отдельные нуклоны, необходимо затратить энергию, равную энергии связи всех нуклонов, ведь иначе, без привлечения этой энергии, нуклонам ядра «не хватает массы» для существования в разделённом состоянии. При образовании ядра из отдельных нуклонов энергия связи нуклонов, напротив, высвобождается: «лишняя масса» нуклонов преобразуется в энергию и покидает систему.

Энергия связи ядра в расчёте на один нуклон тем больше, чем более компактно ядро «упаковано», то есть чем ближе нуклоны друг к другу и чем более симметрично они расположены относительно центра ядра. Форма самых лёгких ядер, содержащих всего несколько нуклонов, несимметрична, и удельная энергия связи в таких ядрах невелика. Ядра с большими атомными весами, как правило, имеют «рыхлую» структуру, и удельная энергия связи в таких ядрах также сравнительно мала. Наибольшую удельную энергию связи имеют ядра среднего размера: редкого изотопа никеля 62Ni (8 794 кэВ), изотопа железа 58Fe (8 792 кэВ) и наиболее распространённого изотопа железа (он составляет около 92% всего железа) 56Fe (8 790 кэВ). Их ядра максимально плотно «упакованы», наиболее прочно связаны, а потому очень устойчивы. Кстати, поэтому ядра звёзд состоят из никеля и железа: им просто некуда преобразовываться дальше, термоядерные превращения здесь в принципе заканчиваются.

Изменение состава ядра называется ядерной реакцией. Положительный энергетический баланс, таким образом, имеют те ядерные реакции, которые направлены в сторону образования ядер среднего размера: либо путём деления тяжёлых ядер, либо, напротив, путём слияния лёгких. Первая реакция называется реакцией ядерного распада, вторая — реакцией термоядерного синтеза. Обе реакции можно использовать для получения энергии. Как осуществить слияние двух ядер? Взаимодействующие ядра заряжены положительно и сильно отталкиваются, поэтому, чтобы ядра сблизились на расстояние действия ядерных сил, им необходимо преодолеть потенциальный барьер, создаваемый силами кулоновского расталкивания. Это возможно лишь при большой величине относительной скорости частиц. Одним из способов достижения высоких скоростей является сильный нагрев вещества, из-за чего такие реакции и получили название термоядерных.

Высота кулоновского барьера между двумя ядрами, то есть сила их расталкивания, определяется количеством протонов в каждом из ядер и, значит, пропорциональна произведению атомных номеров ядер. Поэтому легче всего осуществить сближение самых лёгких ядер, имеющих атомный номер 1. Из однозарядных ядер в реакцию слияния хорошо вступают ядра «тяжёлых» изотопов водорода: дейтерия D (ядро из протона и нейтрона) и трития Т (ядро из протона и двух нейтронов). Подчеркнём, что существуют и другие виды термоядерных реакций, в которых участвуют частицы с бόльшим зарядом, однако скорости их протекания на несколько порядков меньше, и они становятся заметными при очень больших температурах, порядка 109°С. Поэтому их осуществление значительно более сложное.

Схемы термоядерных реакций дейтерий-дейтерий и дейтерий-тритий. Рисунок Сергея Васильева

Дейтерий стабилен и входит в состав молекул тяжёлой воды D2O, содержащейся в обычной морской воде в пропорции 1:6500 (около 1 г дейтерия на 60 л воды). Поскольку вода доступна в практически неограниченном количестве (в отличие, например, от природного урана), производство дейтерия намного проще, чем ядерного топлива. Тритий нестабилен с периодом полураспада 12,4 года, поэтому его запасы на Земле отсутствуют. Однако он может быть произведён, например, из лития путём облучения быстрыми нейтронами или в процессе слияния ядер дейтерия.

В результате столкновения двух ядер дейтерия (эти ядра называют дейтронами) может происходить один из двух процессов: первый — с образованием ядра изотопа гелия 3He и нейтрона n; второй — с образованием ядра трития Т и протона p:

В обоих случаях при элементарном акте ядерного синтеза выделяется большая энергия: около 3,3 МэВ в первом случае и около 4 МэВ во втором (отметим, что энергия 1 МэВ соответствует температуре 11,65 млрд °С). Энергия уносится в основном в виде кинетической энергии нейтронов, для превращения её в тепло и далее в электрическую энергию нейтроны должны быть поглощены теплоносителем.

Образовавшийся тритий может вступать в реакцию синтеза с дейтерием по схеме

при которой образуются ядра атома гелия-4 (из двух протонов и двух нейтронов), их называют также α-частицами, и быстрые нейтроны n. В такой реакции выделяется энергии 17,7 МэВ. Интересен факт, что для сближения ядер трития и дейтерия им достаточно сообщить энергию порядка единиц кэВ, а вот продукты реакции имеют энергию порядка единиц МэВ, то есть в тысячи раз бόльшую. Отметим, что при образовании 1 г гелия высвобождается энергия порядка 720 ГДж, что эквивалентно энергии, выделяемой при сжигании 25 тонн угля.

Если в результате реакций ядерного деления в больших количествах образуются радиоактивные изотопы, то при реакции термоядерного синтеза такие продукты в существенных количествах не возникают (радиоактивные отходы образуются не в процессе самой реакции, а в результате бомбардировки окружающего оборудования быстрыми нейтронами). Доступность сырья и практически неограниченное количество исходного топлива при сравнительной экологической чистоте делают термоядерную энергетику чрезвычайно привлекательной. С одной стороны, запас воды на Земле очень велик, с другой — воды для таких реакторов требуется крайне мало. Количество этого топлива размером с ананас эквивалентно 10 000 тонн угля (примерно 200 полным железнодорожным вагонам). Дейтерий, содержащийся в 1 л воды, может дать энергию, эквивалентную сжиганию 300 л бензина.

Однако для инициирования реакции термоядерного синтеза только нагреть топливо до нужных температур недостаточно. Дело в том, что ядра после удара друг о друга могут не вступить в реакцию слияния, а просто разлетятся: вероятность этого в миллион раз больше вероятности термоядерной реакции. То есть требуется удерживать температуру в течение такого времени, чтобы достаточное количество ядер приняли бы участие в термоядерной реакции. Только тогда суммарный выход энергии превысит энергию, затраченную на нагрев и удержание топлива.

Реакции синтеза в дейтерии, происходящие по приведённой схеме, обладают заметной интенсивностью лишь при температурах, превышающих 2,5 млн градусов. А для того, чтобы выделяющаяся избыточная энергия представляла практический интерес, необходима температура уже в несколько сот миллионов градусов. При такой температуре дейтерий превращается в высокоионизованную плазму, и основная трудность заключается в том, чтобы изолировать её от стенок реактора, в котором она находится (удержать плазму от разлёта). Иначе плазму из-за её высокой теплопроводности не удастся нагреть даже до нескольких сотен тысяч градусов, так как вся сообщаемая ей энергия немедленно уйдёт на стенки.

Оценить, будет ли термоядерная реакция в данной установке иметь положительный баланс энергии и, следовательно, служить источником энергии, можно с помощью условия, впервые сформулированного английским физиком Джоном Лоусоном в 1957 году (критерий Лоусона). Чтобы реакция успела пройти достаточное количество раз для выделения нужного количества энергии, частицы плазмы нужно сильно сблизить и определённое время τ удерживать, не давая разлететься. Степень этого сближения определяется концентрацией плазмы n (число ядер в 1 см3). Тогда для реакции дейтерий-дейтерий при температуре порядка 100 млн градусов (энергия дейтронов 10 КэВ) критерий Лоусона имеет вид nτ ≥ 1016 с/см3, где τ измеряется в секундах. Для реакции дейтерий-тритий он выглядит как nτ ≥ 1014 с/см

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Василий Розанов: возле русской идеи Василий Розанов: возле русской идеи

«Покажите мне Ленина. Ужасно интересуюсь. Я – монархист Розанов»

Знание – сила
Посмотрите на лицо женщины, которая жила 4200 лет назад в Шотландии! Посмотрите на лицо женщины, которая жила 4200 лет назад в Шотландии!

Как выглядела девушка, жившая в Шотландии бронзового века

ТехИнсайдер
В Египте раскопали нетронутые жреческие погребения с большим количеством заупокойной утвари В Египте раскопали нетронутые жреческие погребения с большим количеством заупокойной утвари

В Египте Найдены мумии в расписных саркофагах и тысячи ушебти

N+1
Черный лебедь и Ревущий Котенок Черный лебедь и Ревущий Котенок

«Дурные деньги»: история Кита Гилла, сломавшего Уолл-стрит

Weekend
Знатному пазырыкцу поставили диффузный идиопатический скелетный гиперостоз Знатному пазырыкцу поставили диффузный идиопатический скелетный гиперостоз

Ученые исследовали останки мужчины, найденные в могильнике Ак-Алаха-1

N+1
Тошнит от еды, но есть хочется: почему может возникать отвращение к пище Тошнит от еды, но есть хочется: почему может возникать отвращение к пище

Почему от вида еды у человека может возникать отвращение к пище и тошнота?

ТехИнсайдер
Как быть с зарплатами сотрудникам, если у вас кризисный момент: советы и решения Как быть с зарплатами сотрудникам, если у вас кризисный момент: советы и решения

Можно ли законно сокращать зарплаты сотрудникам в кризис?

Inc.
«Жизнь легка, когда поешь шашлыка» «Жизнь легка, когда поешь шашлыка»

Без шашлыка нельзя представить себе ни одну кухню кавказского региона

Зеркало Мира
Польза манго для организма: 8 свойств Польза манго для организма: 8 свойств

Манго не зря называют «великим фруктом» — это сокровищница витаминов и минералов

РБК
Работа не ответит вам взаимностью: как айтишников приучают любить монотонный труд Работа не ответит вам взаимностью: как айтишников приучают любить монотонный труд

Глава из книги «Дорогие коллеги. Как любимая работа портит нам жизнь»

Forbes
Не дайте стрессу себя поработить! Не дайте стрессу себя поработить!

Как успокоиться и минимизировать последствия стресса?

Здоровье
Изменение климата сократит площадь пригодных для индийских слонов местообитаний Изменение климата сократит площадь пригодных для индийских слонов местообитаний

Доля непригодных для индийских слонов местообитаний может вырасти на треть

N+1
«Мир стремительно меняется, и мы — вместе с ним» «Мир стремительно меняется, и мы — вместе с ним»

Опорный банк госкорпорации «Ростех» Новикомбанк отмечает 30-летний юбилей

Деньги
Тренировка табата: комплекс упражнений с фото и видео Тренировка табата: комплекс упражнений с фото и видео

Какие упражнения предлагает табата и почему этот комплекс подходит не всем

РБК
Объединенные решения Объединенные решения

Как корпоративный мир переживает бум продуктов для внутренних коммуникаций

РБК
Сколько должна стоить чашка кофе, чтобы владелец кафе получал прибыль Сколько должна стоить чашка кофе, чтобы владелец кафе получал прибыль

Отрывок из книги владелицы сети кофеен о локальном бизнесе

Forbes
«Культура девичества»: зачем ученые и маркетологи внимательно изучают жизнь девушек «Культура девичества»: зачем ученые и маркетологи внимательно изучают жизнь девушек

Рассказываем, как ученые изучают жизнь девочек и молодых женщин

Forbes
«Мы с сыном остались одни, когда ему было три года»: личная история отца-одиночки «Мы с сыном остались одни, когда ему было три года»: личная история отца-одиночки

Как отец-одиночка совмещал работу с родительством и что оказалось труднее всего?

Psychologies
Сгруппируйтесь: все об аварийной посадке самолета и эвакуации пассажиров Сгруппируйтесь: все об аварийной посадке самолета и эвакуации пассажиров

Как пассажирам самолета правильно съехать по надувным трапам при эвакуации

ТехИнсайдер
Убийственное ретро Убийственное ретро

«Континенталь»: спин-офф «Джона Уика» с Мелом Гибсоном

Weekend
Настоящий имперец Настоящий имперец

Ни один другой немецкий политик не был использован так сильно, как Бисмарк

Дилетант
4 ошибки в мытье головы, из-за которых у тебя выпадает больше волос, чем должно 4 ошибки в мытье головы, из-за которых у тебя выпадает больше волос, чем должно

Как неправильное мытье головы может повлиять на ваши волосы?

VOICE
«Продолжатель чеховских традиций»: кто такой Юн Фоссе и почему он выиграл Нобелевскую премию по литературе «Продолжатель чеховских традиций»: кто такой Юн Фоссе и почему он выиграл Нобелевскую премию по литературе

Норвежский писатель Юн Фоссе стал лауреатом Нобелевской премии по литературе

Psychologies
Персона Персона

О строительстве в историческом центре и работе с российскими архитекторами

Robb Report
Как жили в Европе русские эмигранты первой волны. Отрывок из книги Как жили в Европе русские эмигранты первой волны. Отрывок из книги

Отрывок из книги «Белые русские — красная угроза?» Шейлы Фицпатрик

СНОБ
Квантовая психология Квантовая психология

Что такое квантовая психология простыми словами

Лиза
Новая этика: почему в России может быть востребован опыт сталинских судов чести Новая этика: почему в России может быть востребован опыт сталинских судов чести

Что такое суд чести и почему он начинает воскресать в России?

Forbes
Осень, грязь и колея… Простые, но важные правила Осень, грязь и колея… Простые, но важные правила

Что нужно делать для успешного преодоления грязи и колеи

4x4 Club
Месяц борьбы против рака груди: о чем важно помнить Месяц борьбы против рака груди: о чем важно помнить

Рак груди, к сожалению, из нашей жизни пока не пропал

Psychologies
«Голоса советских окраин: Жизнь южных мигрантов в Ленинграде и Москве» «Голоса советских окраин: Жизнь южных мигрантов в Ленинграде и Москве»

Как учебные и рабочие коллективы помогали мигрантам освоиться в городах

N+1
Открыть в приложении