"Уважаемый редактор, может, лучше про реактор?.."

Тема термоядерной энергетики время от времени всплывает в средствах массовой информации. Обычно о ней говорят как о неисчерпаемом источнике энергии для процветания человечества. Тем более и нам стоит поговорить о термоядерной энергии, о том, что это такое и как продвигается работа по её получению.

Ядерные реакцииВсё состоит из атомов — это известный факт. А атомы состоят из положительно заряженных протонов, нейтральных нейтронов (вместе они образуют атомное ядро) и вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов. То, к какому элементу принадлежит атом, определяется числом протонов. Разные изотопы одного элемента отличаются числом нейтронов. Добавляя или отнимая электроны, атом можно превратить в положительный или отрицательный ион.
Атомные ядра могут взаимодействовать с элементарными частицами и друг с другом, претерпевая в результате различные превращения. По аналогии с химическими реакциями, превращения ядер называют ядерными реакциями.
Вот основные типы ядерных реакций:

1) Радиоактивный распад. В каждом ядре существуют две противоборствующие силы: сила электростатического отталкивания между протонами и ядерная сила, удерживающая нуклоны (протоны и нейтроны) вместе. В некоторых ядрах эти силы не уравновешены, и им становится выгодно распасться. Есть несколько типов радиоактивности: при альфа-распаде от ядра отделяется альфа-частица — ядро гелия-4 (2 протона, 2 нейтрона), при бета-распаде один из нейтронов превращается в протон (остаётся в ядре), электрон и электронное антинейтрино. Гамма-распад (излучение высокоэнергичного фотона) уменьшает энергию ядра, но не меняет его тип. Ещё есть бета-плюс-распад (протон переходит в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино), протонный и нейтронный распады (излучение протона и нейтрона, соответственно).

2) Если ядро может распасться, значит, есть и обратный процесс. Ядра могут захватывать электроны, позитроны, нейтроны и протоны.

3) Реакция деления. Большие ядра (например, ядра урана и более тяжёлые) могут распадаться на несколько ядер поменьше. При этом выделяется энергия. Именно на использовании реакций деления основана атомная энергетика.

4) Реакции синтеза. В то время как тяжёлым ядрам выгодно разваливаться на куски, лёгким ядрам выгодно сливаться в более крупные ядра. Но, в отличие от реакций деления, реакции синтеза не происходят сами по себе. Ядра должны преодолеть силы отталкивания и сблизиться на достаточное расстояние, чтобы в игру вступили ядерные силы. Для этого ядрам надо двигаться с очень большой скоростью. Таких скоростей можно достичь на ускорителе. А можно нагреть вещество до десятков миллионов градусов, превратив его в плазму, состоящую из ядер и электронов, и в ней ядра будут иметь нужную энергию. Необходимые для термоядерного синтеза условия существуют в недрах звёзд, и все элементы легче железа образуются в процессе жизни звезды (более тяжёлые элементы рождаются при взрывах сверхновых). При слиянии ядер выделяется энергия, и ниже мы увидим, что немалая. Есть множество реакций синтеза, но я запишу самые интересные для термоядерной энергетики.

D + T —> He-4 + n
D + D —> T + H
D + D —> He-3 + n
T + T —> He-4 + 2n

Здесь D — дейтерий, изотоп водорода с ядром, состоящим из протона и нейтрона, T — тритий, ещё один изотоп водорода с двумя нейтронами, He-3 и He-4 — гелий-3 и гелий-4, n — нейтрон. Жирным выделена реакция, идущая при наиболее низкой температуре, а значит, наиболее выгодная по энергозатратам.

Термоядерная энергетика: плюсы и минусыНародонаселение Земли неуклонно растёт. И это самое народонаселение хочет не просто жить, а жить хорошо. Следовательно, человечеству требуется всё больше энергии. Грустно сознавать, но ископаемое топливо понемногу заканчивается (к тому же продукты его горения способствуют глобальному потеплению). У атомной энергетики есть большая проблема с радиоактивными отходами. Почти все подходящие места для гидроэлектростанций уже заняты. И тут логично вспомнить про термоядерный синтез как источник огромного количества энергии. Проиллюстрируем это примером.
Возьмём ведро воды. В школе учат, что вода состоит из кислорода и водорода. Но правда жизни такова, что часть природной воды состоит из кислорода и дейтерия. Доля молекул D2O составляет примерно 0,017%. Итак, возьмём ведро воды и извлечём из неё весь дейтерий, затем загрузим его в термоядерный реактор. Когда весь дейтерий прореагирует, выделится столько же энергии, что и при сжигании 200 л нефти. Вот одно из преимуществ термоядерного топлива — большой выход энергии. Кроме того, продукты термоядерных реакций не загрязняют окружающую среду и не радиоактивны (или обладают коротким периодом полураспада).
Однако есть у термоядерной энергетики и проблемы. Во-первых, есть сложности с получением топлива. Если дейтерий на Земле существует в преизрядном количестве (и выше я это показала), то трития почти нет. Дело в том, что он радиоактивен, и его период полураспада составляет 12,3 лет, следовательно, в природе он не накапливается. Сейчас в распоряжении человечества находится около 20 кг трития. Правда, тритий можно получить в результате реакции

Li-6 + n —> He-4 + T.

Литий содержится в земной коре, а нейтроны являются продуктом реакции дейтерия и трития (см. выше). Получается, если окружить камеру реактора литием, он будет взаимодействовать с вылетающими из камеры нейтронами, и таким образом можно получить тритий. Но этот способ не решает проблему трития полностью, ведь его надо изначально откуда-то взять!
Во-вторых, те самые нейтроны, которые могут помочь получать тритий, будут взаимодействовать с веществом, из которого сделан реактор. Поглощая нейтроны, многие ядра становятся радиоактивными. Следовательно, возникает проблема утилизации реактора после остановки. Используя специальные материалы, можно добиться того, что лет через 50 после остановки реактора его радиоактивность будет меньше радиоактивности угольной золы. Также были предложения использовать безнейтронные термоядерные реакции, например, такую:

D + He-3 —> He-4 + p.

Но эта реакция идёт при более высоких температурах, кроме того, на Земле нет гелия-3. Его много на Луне, но его добыча и доставка были бы очень дорогими.
Третья проблема заключается в том, что термоядерные реакции протекают в горячей и плотной плазме, и эту плазму надо, во-первых, получить, а, во-вторых, удерживать достаточно долго, чтобы энерговыделение превысило наши затраты на нагрев и удержание (для коммерчески успешного реактора — в 30-50 раз). Оказалось, что это очень сложная задача, которая всё ещё не решена. Именно поэтому термоядерный реактор до сих пор не существует.

Схемы управляемого термоядерного синтеза

Вывод таков: термоядерная энергетика очень заманчива, но человечеству пока недоступна. И всё же учёные по всему миру продолжают работать над конструкцией термоядерного реактора.

"Уважаемый редактор, может, лучше про реактор?.."

Смотрите также