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

Вон из России! Вон из России!

Осенью 1922-го от причалов отходили не только корабли с белогвардейцами

Дилетант
«Я сильно похудела»: Ирина Медведева рассказала, как преобразилась к концу съемок фильма «Человек ниоткуда» «Я сильно похудела»: Ирина Медведева рассказала, как преобразилась к концу съемок фильма «Человек ниоткуда»

Ирина Медведева поделилась секретами личной жизни и съемки «Человека ниоткуда»

VOICE
Продуманный безумец Продуманный безумец

В Петербурге XIX века встречались порой весьма оригинальные личности

Дилетант
Совместный поиск ответов на общественный запрос | Responding to Public Demand Together Совместный поиск ответов на общественный запрос | Responding to Public Demand Together

Практики участия грантодающих фондов в реализации «третьей миссии» университетов

Позитивные изменения
Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий

Какие же тайны и интересные особенности скрывает Меркурий?

Наука и жизнь
Кино Кино

Как десктоп и веб-камера стали рабочими инструментами кинорежиссеров

Правила жизни
Аккумуляторная независимость Аккумуляторная независимость

TI решил расспросить экспертов о том, какова сейчас ситуация с литием в России

ТехИнсайдер
Ореховский мир 1323 года Ореховский мир 1323 года

Ореховский мир в историческом контексте и исторической перспективе

Знание – сила
Ленинская муза Ленинская муза

«Цветок? — Роза». «Поэт? — Пушкин». «Писатель? — Толстой». «Инесса? — Арманд»

Дилетант
Как извержение вулканов влияет на атмосферу Как извержение вулканов влияет на атмосферу

Как извержение вулканов меняет состояние земной атмосферы и климат

СНОБ
«Мне не в чем оправдываться» «Мне не в чем оправдываться»

26 декабря 2020 года в возрасте 98 лет ушёл из жизни Джордж Блейк

Дилетант
«Друг Отто» «Друг Отто»

«Русский вопрос» с точки зрения Бисмарка

Дилетант
Что такое торрент, и как он работает: просто о сложном Что такое торрент, и как он работает: просто о сложном

Торренты, сиды, пиры, личи, пиринговые сети — что скрывается за этими словами?

CHIP
Магическое мышление: как оно заставляет нас покупать ненужное и верить, что мы можем менять реальность Магическое мышление: как оно заставляет нас покупать ненужное и верить, что мы можем менять реальность

Как работает магическое мышление и как не попасть в его ловушку?

VOICE
Глобальное потепление: где земной шарик? Глобальное потепление: где земной шарик?

Климат и все, что с ним связано, – благодатная почва для спекуляций

Зеркало Мира
Восточная Европа оказалась на первом месте по смертям от отравления угарным газом в 2021 году Восточная Европа оказалась на первом месте по смертям от отравления угарным газом в 2021 году

Коллаборация ученых изучила данные о смертности от отравлений угарным газом

N+1
История денег! Когда люди начали использовать кредитные карты История денег! Когда люди начали использовать кредитные карты

Трудно представить себе время, когда кредитные карты еще не существовали

ТехИнсайдер
«Мать атомной бомбы»: что ученая Лиза Мейтнер сделала для создания ядерного оружия «Мать атомной бомбы»: что ученая Лиза Мейтнер сделала для создания ядерного оружия

Почему Лиза Мейтнер сожалела о своем имени «мать атомной бомбы»?

Forbes
Как носить кардиган, если тебе за 50: советы стилистов Как носить кардиган, если тебе за 50: советы стилистов

Кардиган — универсальная вещь в гардеробе любой женщины

VOICE
Иногда они возвращаются Иногда они возвращаются

9 забытых трендов в интерьере, которые снова в моде

Лиза
Морщины, депрессия и еще 6 неожиданных последствий неправильного прикуса Морщины, депрессия и еще 6 неожиданных последствий неправильного прикуса

Неправильный прикус может привести не только к стоматологическим проблемам

VOICE
6 модных и практичных образов на осень-зиму: уроки стиля от Ирины Шейк 6 модных и практичных образов на осень-зиму: уроки стиля от Ирины Шейк

Подсмотрим пару-тройку модных трюков у любимой Ирины Шейк?

VOICE
Трасса М-4: какая протяженность и где можно отдохнуть Трасса М-4: какая протяженность и где можно отдохнуть

Трасса М-4 «Дон» — главная транспортная артерия российского юга

РБК
Сезон ягод Сезон ягод

Эти осенние ягоды богаты витаминами и минералами

Лиза
Почему вы не достигаете целей: 3 основные ловушки Почему вы не достигаете целей: 3 основные ловушки

Почему мы не достигаем своих целей? Что делать, чтобы прийти к результату?

Psychologies
Не по размеру: какие заблуждения мешают российским стартапам выходить на IPO Не по размеру: какие заблуждения мешают российским стартапам выходить на IPO

Почему стартапам стоит присмотреться к первичному размещению акций (IPO)

Forbes
Кино на пределе возможностей: 6 спортивных байопиков, которые нужно увидеть Кино на пределе возможностей: 6 спортивных байопиков, которые нужно увидеть

Впечатляющие фильмы про спортсменов, которые основаны на реальных событиях

Правила жизни
«Когда император был богом»: как этнические японцы жили в США во время войны «Когда император был богом»: как этнические японцы жили в США во время войны

Отрывок из книги Джули Оцука о том, как изменилась жизнь японцев в США в 1942

Forbes
Антонио Муньос Молина: «Ночь времен». Фрагмент из романа Антонио Муньос Молина: «Ночь времен». Фрагмент из романа

Отрывок из масштабного романа о человеке, живущий делом своей жизни

СНОБ
Темперамент имеет значение: сильные и слабые стороны холерика Темперамент имеет значение: сильные и слабые стороны холерика

Какая работа подходит холерикам и как воспитывать ребенка-холерика

Psychologies
Открыть в приложении