Энергия Солнца на Земле. Как работает термоядерная энергетика

      В мире существует источник огромной и чистой энергии, который может вывести человечество на абсолютно новый уровень. Однако пока реакция, в процессе которой она выделяется, может происходить только на звездах, таких как Солнце. Рассказываем о том, как работает термоядерный синтез и почему людям до сих пор не удалось его освоить.

О чем речь

        К термоядерной энергетике относятся технологии, основанные на термоядерном синтезе, то есть процессе слияния легких ядер атомов, в результате которого выделяется огромное количество энергии. Происходит это, потому что масса одного нового ядра оказывается меньше, чем масса двух ядер, из которых оно получилось. А вот «потерянная» масса переходит в энергию, согласно знаменитой формуле Эйнштейна: E=mc².

          Огромное количество энергии — не просто слова. Ее действительно выделяется гораздо больше, чем при использовании любых других источников. К примеру, превращение одного килограмма термоядерного топлива, где сталкиваются ядра изотопов водо  рода дейтерия и трития, дает примерно в 4 раза больше энергии, чем такой же объем плутония или урана при ядерном синтезе.

          В целом, термоядерную и ядерную реакцию можно назвать противоположными по механике процессами. Так, при термоядерном синтезе ядра сливаются в одно, а при ядерном, наоборот, ядро распадается на части.

Почему изучение термоядерного синтеза так привлекает человечество:

• Неиссякаемый запас энергии

       Основные компоненты термоядерного топлива — дейтерий и тритий. И их можно добывать в неограниченном количестве. Так, дейтерий естественным образом содержится в морской воде, и его очень много: при энергии этого изотопа, выделяемого в процессе синтеза, один литр воды по энергетическому потенциалу эквивалентен примерно 300 литрам бензина.

       Трития в природе нет, однако его можно производить внутри термоядерного реактора — для этого нужен литий, запасы которого на нашей планете огромны. При этом необходимая для выделения реакция может происходить на оболочке реактора, что упростит сам процесс синтеза: не нужно будет отдельно производить тритий, а затем отправлять его взаимодействовать с дейтерием, то есть процесс можно осуществлять в одном месте.

• Безопасность

         Термоядерная реакция, в отличие от ядерной (на АЭС), не может выйти из-под контроля и привести к цепной реакции с необратимыми последствиями, поскольку для проведения синтеза необходимы исключительно точные условия, которые трудно поддерживать. Если что-то пойдет не так и процесс будет нарушен — реакция просто прекратится.

• Экологичность

        Опять же, в отличие от АЭС, где постоянно образуются высокоактивные ядерные отходы, которые тысячи лет необходимо хранить в специальных условиях, основным продуктом термоядерного синтеза в основном является гелий — инертный безопасный газ. Кроме этого, термоядерный реактор не производит в процессе работы парниковых газов, а значит, не вредит экологии.

         Стоит отметить, что тритий все же является радиоактивным, однако период его полураспада гораздо короче, чем у урана или плутония — несколько десятилетий против сотен лет. Поэтому он считается более экологичным

Термоядерный синтез — в чем сложности

         Пока единственные примеры функционирующих термоядерных реакторов, о которых мы знаем, — Солнце и другие звезды.

       Солнце — огромный шар, состоящий из гелия и газообразного водорода, который поддерживается в метастабильном, то есть относительно устойчивом состоянии. Происходит это, поскольку силы термоядерного взрыва и гравитационного притяжения друг друга уравновешивают. Причем температура на поверхности звезды составляет почти 6 млн градусов по Цельсию, а температура ядра, где происходят основные реакции, — 15 млн градусов.

        Науке известны только такие условия для нормального протекания процесса термоядерного синтеза.

         В целом, чтобы воспроизвести процесс термоядерного синтеза, необходимо построить специальный реактор, где реакция будет проходить под контролем. Однако есть и другие фундаментальные проблемы, помимо температуры:

• Специальные материалы

      Сегодня ни один из существующих материалов не сможет вынести воздействие сверхвысоких температур. Поэтому ученым необходимо создать совершенно новые соединения, которые защитят компоненты реактора от разрушения.

      Материалы также должны удерживать плазму, то есть разогретый до миллионов градусов газ, внутри реактора без контакта с его стенками. Для этого необходимы свехпроводящие магниты, также способные выдержать такую температуру.

• Сложность конструкции

        Реактор для термоядерного синтеза — невероятно сложная и дорогостоящая установка, которая требует специальных громоздких магнитных систем, массивных систем охлаждения и собственного электропитания. Кроме того, для его создания необходимо огромное количество человеческих ресурсов. Ученые должны решить пока нерешенные задачи, чтобы реактор функционировал.

• Энергетический баланс

        На сегодняшний день термоядерные реакторы потребляют гораздо больше энергии для запуска и работы, чем производят. Это делает их экономически нецелесообразными.

• Топливо

        Один из компонентов ядерной реакции — тритий — достаточно труднопроизводимый компонент, который имеет короткий период полураспада. Другими словами, его нужно очень много для поддержания реакции термоядерного синтеза, что сложно и пока экономически не выгодно.

• Оборудование для преобразования энергии

        Отдельная инженерная задача — разработать оборудование для эффективного преобразования выделяемой энергии в электричество.

Токамак — плазма в магнитном поле

          Сегодня наиболее перспективным устройством для осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза является токамак. По-другому эту установку называют магнитной ловушкой, поскольку в ее основе находятся магнитные установки, которые создают поля, способные удерживать сверхгорячую плазму.

          Основная проблема при строительстве термоядерного реактора в том, что плазма не должна касаться стенок реактора, потому что никакой материал такой температуры не выдержит и просто испарится. Однако поскольку плазма состоит из заряженных частиц, значит, ими можно управлять с помощью магнитного поля — именно его и можно создать в токамаке. Таким образом плазма будет удерживаться внутри в форме «бублика» и при этом сможет не касаться стенок.

          Самый известный проект в этой области — Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER). Строительство установки идет во Франции силами многих стран, в том числе США, России, Китая, Японии, Индии, Японии, Южной Кореи и Евросоюза. Основная задача этого токамака — продемонстрировать технологическую и научную осуществимость термоядерной энергетики. Для этого, по задумке ученых, установка должна произвести в 10 раз больше энергии, чем будет затрачено на разогрев плазмы.

          По сути, это прототип термоядерной электростанции будущего. И если все пойдет по плану, то ITER изменит мировую энергетику.

Отдельные страны также строят свои токамаки:

• В ноябре 2024 г. в России был запущен первый на постсоветском пространстве учебный токамак «Мифист», подключенный к инфраструктуре, которая позволяет проводить эксперименты и получать результаты дистанционно.

        Внешний радиус «Мифиста» составляет всего 25 см, а проектный радиус кольца плазмы, которую будут получать на этой установке, — около 13 см. Но, несмотря на миниатюрные размеры, установка позволяет отработать все режимы, которые впоследствии будут реализовывать на больших токамаках.

• В городском округе Хэфэй (Китай) продолжается разработка первого в мире производства электроэнергии с помощью термоядерного синтеза — на экспериментальном сверхпроводящем токамаке с горящей плазмой (BEST). В октябре 2025 г. на него был установлен один из ключевых компонентов — основание Дьюара. По словам ученых, этот элемент будет служить основанием для всей системы оборудования весом более 6 тыс. тонн. Само устройство планируется достроить к концу 2027 г.

• В США основной проект в этой области — токамак SPARC с диаметром 7,3 метра и весом около 75 тонн. Он должен заработать в 2027 г. Строительство ведет частная компания Commonwealth Fusion Systems, которая к началу 2030-х гг. собирается создать на его основе небольшую электростанцию.