Проблема управляемой термоядерной реакции

Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые называют термоядерными. Необходимым условием протекания термоядерных реакций является наличие температуры поряд­ка 10⁷К. При такой температуре вещество находится в плаз­менном состоянии, когда атомы полностью ионизированы, и вещество представляет смесь быстродвижущихся электронов и атомных ядер. Кинетическая энергия теплового движения ядер атомов при такой температуре оказывается достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания и сближения ядер на расстояния, при которых действуют ядерные силы притяжения.

На основании эквивалентности энергии и массы можно вычислить энергию, выделяющуюся или затрачиваемую при протекании любой ядерной реакции, если знать массы всех ядер и частиц, участвующих в реакции. Пусть m₁ — суммарная масса всех исходных частиц, m₂, — суммарная масса всех получаемых в результате реакции частиц. Тогда количество энергии, выделяющейся или затрачиваемой при протекании реакции, равно: Е = (m₁ - m₂₎ с ², Дж. Если m₁ > m₂, то Е > 0 и реакция идет с выделением энергии. Однако m₂ будет меньше m₁ в слу­чае, когда удельная энергия связи продуктов реакции будет больше удельной энергии связи исходных ядер. И, следователь­но, с выделением энергии могут проходить два вида реакций: реакция синтеза легких ядер и реакция деления тяжелых ядер. При этом энергия реакции выделяется в форме кинетической энергии ее продуктов.

Чем больше разница в массе между свободными нуклона­ми и ядром, то есть чем меньше масса ядра, тем больше энер­гия связи. Среди легких элементов наибольшую энергию свя­зи, а тем самым и устойчивость атомных ядер, имеют Не, Be, C, O. Это значит, что реакции синтеза легких ядер, в результате которых получаются указанные ядра, явля­ются в энергетическом отношении самыми выгодными. Совре­менные астрофизики убеждены в том, что энергия звезд — результат термоядерного синтеза. Ближайшая из звезд — Сол­нце, заимствует свою энергию из процесса термоядерного син­теза водорода, ведущего к образованию ядер гелия в последо­вательности:

Синтез дейтерия,

Синтез трития

Синтез ядра гелия МэВ.

Высвобождаемая при синтезе энергия поддерживает высо­кую температуру и тем самым создает условия для непрерывно­го продолжения ядерного синтеза. Однако на этот счет есть и иная точка зрения. Некоторые исследователи утверждают, что основным источником энергии Солнца являются не термоядер­ные реакции, а скорее всего, хаотическое вращение магнит­ных полей в центральной части Солнца. Свои выводы они ос­новывают исходя из известной им доли гелия в массе Солнца.

В условиях энергетических проблем современного общества технический интерес представляет синтез ядер дейтерия и три­тия с образованием гелия. Данная реакция протекает наибо­лее легко. Это значит, что для реакции синтеза в данном слу­чае требуется более низкая температура, чем при синтезе ядер только дейтерия и ядер только трития. При этом из одного грамма термоядерного топлива высвобождается такая же энер­гия связи, как при сгорании 12,4 т угля. Термоядерный син­тез реализован впервые в 1952 г. при взрыве водородной бом­бы. Начиная с 60-х годов, в научных центрах многих стран ведутся работы по контролируемому использованию эффекта экзотермической реакции термоядерного синтеза в термоядер­ных установках. В начале 90-х годов на эти работы в мире ежегодно расходовалось 1,7 млрд долларов.

Вся трудность этого проекта состоит в удержании плазмы в заданном объеме, так как в свободном пространстве плазма мгновенно расширяется. Для удержания плазмы используют в настоящее время магнитное поле высокой напряженности, которое создают с помощью сверхпроводящих магнитов. В Рос­сии в институте атомной энергии им. И.В. Курчатова разрабо­тана установка «Токамак» (аббревиатура от: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками) с камерой тороидальной конфигурации. Плазму с температурой около 10⁶К и време­нем удержания 80 мс в этой камере создают с помощью безэ­лектродного кольцевого разряда. Магнитное поле, удержива­ющее плазму, создается как за счет тока, протекающего в об­мотке вокруг камеры, так и за счет тока, индуцируемого в плазме. В Принстоне (1994 г.) создан Токамак мощностью 6,2 МВт и временем удержания плазмы 4 с. Температура на­греваемой смеси дейтерия с тритием достигает в нем 300 млн Кельвина. Эти параметры являются рекордными.

Примечание. Игорь Васильевич Курчатов (1903—1960) — выдающийся советский физик и организатор науки, трижды Герой Социалистического труда. Он руководил работами по созданию первого в Европе атомного реактора (1946 г.), пер­вой в СССР атомной бомбы (1949 г.).

Советским физикам принадлежит также приоритет (1960 г.) экспериментальной реализации реакции термоядерного син­теза с помощью лазерного нагрева ядерного топлива.

Однако результаты, достигнутые учеными в области термо­ядерного синтеза, довольно скромные, И широкомасштабное техническое применение термоядерного синтеза не ожидается ранее 2100 года. Первоначальные надежды на неиссякаемую, чистую и дешевую энергию термоядерного синтеза пока что не сбылись по следующим причинам. Во-первых, не решена про­блема овладения высокими температурами и давлениями, не­обходимыми для поддержания реакции. Во-вторых, реализа­ция термоядерного синтеза связана с дорогостоящим производством искусственного радиоактивного и высокотоксич-ного три­тия. Тритий необходимо изолировать от окружающей среды, что сложно технически и сто-ит немалых денег. Вспомним, что тритий — изотоп водорода. Ядро атома трития состоит из одно­го протона и двух нейтронов. Период полураспада — 12,3 года. Тритий распадается, испуская β -излучение. Наземные ядерные испытания за несколько лет увеличили количество трития на земном шаре в двадцать раз. Тритий в крайне небольшом коли­честве содержится в атмосфере. Он образуется в результате вза­имодействия ядер азота с нейтронами и расщепления ядер ряда химических элементов космическими частицами высокой энергии. Для промышленных нужд тритий получают в ядер­ных реакторах путем облучения лития-6 нейтронами. Тритиевая вода химически неотличима от обычной. Тритий усваивает­ся организмом и оказывает равномерное радиационное воздей­ствие на все внутренние органы. Кроме того, тритий вызывает трансмутации из-за глубоких структурных изменений молеку­лы ДНК. И это еще не все трудности в организации управляе­мого термоядерного синтеза: нейтронное излучение делает хруп­ким и радиоактивным материал оболочки реактора. Поэтому через несколько лет реактор необходимо менять и изолировать. Возможно, в связи с изложенным, в ряде стран интерес к изу­чению ядерного синтеза снижается. Так, например, в Соединенных Штатах Америки бюджет термоядерной энергетики сокра­щен в 1,5 раза до 244 млн долларов. В целях уменьшения сто­имости производства трития предлагают получать его не в ре­акторах, а в ускорителях. Но цена ускорителя составляет 6—14 млрд долларов (1996 г.). Вряд ли это будет дешевле.

И немного информации еще об одном изотопе водорода с массовым числом 2 —- дейтерии. Дейтерий стабилен и присут­ствует в свободном состоянии в качестве примеси к обычному водороду в соотношении 1 к 4500. Соединение дейтерия с кис­лородом называют тяжелой водой — D₂O. Ее содержание в обычной воде составляет 0,015%. При атмосферном давлении тяжелая вода кипит при 104,2⁰С и замерзает при 3,8°С. Для практических нужд дейтерий получают электролизом тяжелой воды — из 1000 кг D₂O получают 20 г дейтерия.

Говоря более подробно о ядерных энергоре­сурсах, не следует забывать о традиционных хорошо известных энергоресурсах.