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
Хороший малый. История успеха Марка Цукерберга Хороший малый. История успеха Марка Цукерберга

Марк Цукерберг освоил программирование и создал социальную сеть Facebook

Forbes
Ответный удар кота Виктора: скандал вокруг «Аэрофлота» превзошел по силе кампанию про «иглу мужского одобрения» Ответный удар кота Виктора: скандал вокруг «Аэрофлота» превзошел по силе кампанию про «иглу мужского одобрения»

Специалисты по PR оценивают медийный спарринг кота Виктора с «Аэрофлотом»

Forbes
Худи-бедно Худи-бедно

Замечаем черты потребителей нового поколения в детях

Esquire
На грани слышимости: нейтринные коммуникации для подводного флота На грани слышимости: нейтринные коммуникации для подводного флота

Современные субмарины становятся неслышимы и невидимы для радаров

Популярная механика
Театр и тексты Тони Роббинса Театр и тексты Тони Роббинса

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

Эксперт
15 специалистов по красоте лица и тела 15 специалистов по красоте лица и тела

Эти косметологи и хирурги сделают все, чтобы про вас говорили: «Огонь!»

Tatler
Девушки рассказывают о самых ужасных поступках по отношению к парням Девушки рассказывают о самых ужасных поступках по отношению к парням

Девушки рассказывают о самых ужасных поступках по отношению к парням

Maxim
Учебная тревога. Как провести тренинг с тайными целями Учебная тревога. Как провести тренинг с тайными целями

Обучение персонала — возможность провести в компании кадровые изменения

Forbes
Она из сторогой семьи? 4 главных правила, как понравиться такой девушке Она из сторогой семьи? 4 главных правила, как понравиться такой девушке

Женщины бывают разные, и к каждой нужен свой, особый подход

Playboy
«Я сочувственно отношусь к мерзавцам». Правила жизни Кирилла Серебренникова «Я сочувственно отношусь к мерзавцам». Правила жизни Кирилла Серебренникова

Кирилл Серебренников о кино, театре, традициях и свободе

Forbes
Акцент йоги Акцент йоги

Йога в россии глазами преподавателей-экспатов

Yoga Journal
Слабое звено Слабое звено

Как вести себя, чтобы избежать заболевания суставов

Добрые советы
Кто больше? Кто больше?

Если над отношениями работает только один, союз трудно назвать равным

Добрые советы
Семейная реликвия Семейная реликвия

Озеро в Псковской области – Синовино

АвтоМир
На экраны выходит обворожительная криминальная комедия: «Мир принадлежит тебе» На экраны выходит обворожительная криминальная комедия: «Мир принадлежит тебе»

За полтора часа французы доказали, что умеют лучше Голливуда

Maxim
Плач Серены. Что мы знаем о Наоми Осака — новой звезде мирового тенниса Плач Серены. Что мы знаем о Наоми Осака — новой звезде мирового тенниса

Как 20-летняя японка шла к победе над своим кумиром детства

Forbes
План идеальной жизни: где надо родиться, кем работать, когда жениться и далее по списку План идеальной жизни: где надо родиться, кем работать, когда жениться и далее по списку

Самый безукоризненный сценарий жизни. Бери и пользуйся!

Maxim
Girls in Vogue: Даша Матусевич и Ира Мартыненко Girls in Vogue: Даша Матусевич и Ира Мартыненко

Красивые и талантливые девушки рассказали о вдохновении и 1970-х

Vogue
Меж двух огней: решится ли ЦБ на увеличение ключевой ставки Меж двух огней: решится ли ЦБ на увеличение ключевой ставки

У Банка России достаточно причин как сохранить ставку, так и повысить ее

Forbes
Сексуальность возвращается в моду: 5 трендов 2019 года с показа Tom Ford Сексуальность возвращается в моду: 5 трендов 2019 года с показа Tom Ford

Открывший Неделю моды в Нью-Йорке Том Форд, похоже, решил вспомнить все

Cosmopolitan
Red Dead Redemption 2 и другие главные игровые новинки месяца Red Dead Redemption 2 и другие главные игровые новинки месяца

Игры месяца

Maxim
Региональная сенсация. Выборы вскрыли социальную язву Региональная сенсация. Выборы вскрыли социальную язву

Президентские назначенцы столкнулись с тем, что заняли только второе место

Forbes
За красотой и оптимизмом За красотой и оптимизмом

Что бы ни говорили скептики, московский международный автосалон не разочаровал

АвтоМир
Bee Simulator Bee Simulator

Bee Simulator. Игра о правильных пчёлах

Игромания
«Я работаю в месте, которое создает смыслы и ценности»: Андрей Шаронов о свободе и новых элитах «Я работаю в месте, которое создает смыслы и ценности»: Андрей Шаронов о свободе и новых элитах

Президент «Сколково» рассказал о своей ценностной эволюции

Forbes
Бурский интерес — 2 Бурский интерес — 2

«Огонек» продолжает следить за российскими планами южноафриканских фермеров

Огонёк
Дороги ради дорог Дороги ради дорог

Вместо развитой инфраструктуры мы можем получить чрезмерно дорогие мегастройки

Эксперт
Дмитрий Нагиев Дмитрий Нагиев

Дмитрий Нагиев о том, как не растерять талант драматический и человеческий

Psychologies
Как вытащить все кости из курицы: инструкция в картинках Как вытащить все кости из курицы: инструкция в картинках

Хитро выпотрошенная птица украсит твой праздничный стол

Maxim
Открыть в приложении