Достать звезду с неба. Термояд (ч.1)

Вдохновившись во время отпуска трудами AY, решил написать небольшую серию заметок про незаслуженно, на мой взгляд, обделяемую вниманием (и средствами) сильными мира сего тему управляемого термоядерного синтеза. Почему-то субсидировать зелёную энергетику на десятки лярдов евро в год - это нормально, а потратить 10 млрд $ за 10 лет на ИТЭР - это много. Но обо всём по порядку.

Старался писать так, чтобы текст был понятен любому, имеющему среднее образование, при этом не опуская важных моментов. Понимаю, что среди читателей есть немалое число специалистов в данной области, поэтому буду рад ценным замечаниям, уточнениям и дополнениям. 

Итак...

Итак, 10 лет назад мы сказали, что потребуются 20 лет, чтобы синтез заработал,

и сейчас мы скажем, что потребуются 20 лет, чтобы заставить синтез работать,

так что нашу позицию мы не изменили»

Министр технологии Британии Энтони Бенн, 1967

Между первым испытанием атомной бомбы летом 1945 года и запуском первой атомной электростанцией летом 1954, прошло менее 10 лет.  Советские учёные подчинили энергию деления тяжелых ядер и сумели использовать её в созидательных целях в рекордно короткие сроки. 

Аналогичные надежды возлагали учёные на мирное использование энергии термоядерного синтеза. Однако, к сожалению, всё оказалось не так просто.

Заранее прошу прощения за наличие в тексте некоторых элементарных вещей из школьной программы, но так заметка будет более стройная. Кроме того ясно, что не все имеют отношение к физике, а многие уже забыли, что проходили.

Чтобы удалить из атомного ядра один нуклон (протон или нейтрон), необходимо затратить определённую энергию. Эта энергия называется энергией связи. Её величина равна разности массы ядра с суммой масс протонов и нейтронов, из которой оно состоит, умноженной на квадрат скорости света (Энштейновскую формулу E=mc², думаю, все знают). То есть получается, что часть массы исходных частиц тратится на связь частиц между собой.

Эта энергия зависит от атомного веса ядра. Зависимость выглядит вот так:

Видно, что до ядер с массой 60, энергия связи увеличивается, то есть при получении ядра (с массой до 60) из более лёгких всегда будет выделяться энергия, так как масса итогового ядра будет меньше массы исходных. (Аналогично, что при делении тяжёлых ядер типа урана, тоже выделяется энергия, но также по графику видно, что при синтезе лёгких ядер энергии можно извлечь больше).

Сам механизм синтеза предельно прост для понимая. Два ядра надо сблизить настолько, чтобы в дело вступило короткодействующее сильное взаимодействие, то есть чтобы две частицы "слились" в одну. Этому будет мешать известное со школы кулоновское отталкивание протонов. В цифрах это выглядит очень здорово. Чтобы сблизить на достаточно близкое расстояние два изотопа водорода (протон + 1 или 2 нейтрона) надо затратить энергию  около 0,15 МэВ (1 эв = 1,6*10^-19Дж), при этом в результате синтеза выделяется до 17,6МэВ (реакция D+T (дейтерий + тритий)). 

То есть, столкнув два изотопа водорода на больших скоростях можно получить атом гелия с выделением энергии в 100 раз большей, чем было затрачено на разгон исходных частиц. Казалось бы, всё просто, наливай да пей, поставь мишень и бомби её разогнанными частицами. Однако жизнь оказалась немного сложнее.

Проблема в том, что далеко не каждое столкновение приводит к синтезу (а лишь одно на 100 000). Кроме того происходит ряд других процессов, которые отнимают переданную энергию и делают синтез невозможным. Поэтому реакция с положительным выходом энергии становится возможна только при очень высоких температурах, когда вещество превращается в плазму.

Вероятность реакции синтеза описывается  величиной, называемой сечение реакции. Сечение зависит от энергии взаимодействующих частиц таким вот образом:

По оси ординат здесь сечение реакции( измеряется в см² или барнах, 1б = 10^-24 см²)  , по оси абцисс – энергия налетающей частицы в КэВ)

Понятно, что для каждой пары частиц сечение своё. И как видно, наиболее «просто» и при наименьших энергиях реакция идёт при столкновении дейтерия и трития, именно эту реакцию и будут пытаться получить в ИТЭРе (но об этом немного позже).  

Параметры других реакций (в будущем некоторые ещё пригодятся) приведены в таблице:

p – протон

n - нейтрон

D – дейтерий (p+n)

Т – тритий (p+2n)

Также присутствуют изотопы Гелия и Лития.

Из таблицы видно, что смесь D-T выигрывает и по другим параметрам, а не только максимальному сечению реакции.

Таким образом, для положительной разницы полученной и затраченной энергий, должны находиться в определённом соотношении следующие величины: 

• Температура (задаётся реакцией, которую необходимо получить, для смеси D-T – это 100 миллионов градусов);
• плотность частиц (чтобы частицы сталкивались достаточно часто);
•  время удержания смеси (чтобы частицы сталкивались достаточно долго).

Критерий, связывающий эти параметры, при котором система начинает выдавать больше, чем получила, был установлен в 1957 году американским учёным Лоусоном.

Графически критерий Лоусона выглядит так:

Произведение плотности частиц на время удержания для данной конкретной реакции находится в зависимости от температуры (указаны различные КПД преобразования энергии синтеза в электроэнергию)

Считается, что для смеси D-T произведение n*t должно быть более чем 2*10¹⁴ c*см^-3.

Такое условие даёт два пути для зажигания реакции ядерного синтеза – увеличение концентрации на короткий промежуток времени, либо создание стабильной системы с большим временем реакции, но небольшими концентрациями. Уже в 50-е годы учёные начали работы в обоих направлениях.

А вот почему мы, спустя уже 50 лет, до сих пор жжём углеводороды и когда, наконец зажжём на Земле созидающую звезду (разрушающих взорвали достаточно много) – в следующих статьях.