1.3. Термоядерная проблема

Исследование ядерных реакций показало, что при слиянии легких ядер в одно ядро (ядерный синтез), также как и при делении тяжелых ядер, происходит выделение огромных количеств энергии. Для энергетических целей наибольший интерес представляют реакции синтеза, происходящие с участием изотопов водорода: дейтерия и трития (ядро обычного водорода состоит из одного протона, в ядре дейтерия находятся протон с нейтроном, у трития в ядре два нейтрона и протон).

(1.4)

Первые две реакции идут с примерно одинаковой вероятностью. При слиянии этих ядер выделяется энергия в миллионы раз превосходящая тепло, получающееся при сжигании химического топлива; в результате реакции синтеза образуются ядра гелия, трития, нейтроны и протоны. Однако практически реализовать получение энергии синтеза легких ядер пока удалось только для военных целей в водородной бомбе в виде чудовищного по мощности взрыва. Для мирных целей необходимо научиться управлять выделением этой гигантской энергии.

Оценим энергетические возможности использования ядерных реакций синтеза. Дейтерий входит в состав естественной воды, где число его атомов составляет примерно 0,015 процентов. Учитывая, что в процессе слияния ядер дейтерия выделяется около 0,9 МэВ энергии на одно ядро, получим, что 250 г воды в энергетическом отношении эквивалентны 1 кг каменного угля. Так как масса воды в океанах Земли составляет примерно кг, то ясно, что дейтерий, содержащийся в океанах, является для человечества практически неисчерпаемым источником энергии.

Экологические преимущества использования реакций синтеза изотопов водорода очевидны. В этом случае, как и при реакциях деления тяжелых ядер, не происходит сжигания мировых запасов кислорода и выброса в атмосферу окислов углерода и других продуктов сгорания топлива. В реакциях ядерного синтеза не образуется долгоживущих радиоактивных изотопов: основные продукты реакции нейтроны, нерадиоактивные ядра водорода и гелия-3, а также ядра трития. Радиоактивные ядра трития (период полураспада 12,5 года) являются термоядерным топливом и их можно возвратить в активную зону реактора для дальнейшего сжигания. Таким образом, эффективное время жизни трития сводится примерно к 5 дням. С экологической точки зрения весьма удобной является реакция соединения изотопа гелия-3 с дейтерием:

. (1.5)

В результате этой реакции не образуется радиоактивных веществ. Однако изотопа гелия-3 на Земле недостаточно для получения энергии в промышленных масштабах.

Несмотря на столь радужные перспективы решения энергетической проблемы с помощью реакции ядерного синтеза, управляемый синтез еще не осуществлен, хотя для решения вопроса во второй половине прошлого века были приложены гигантские финансовые, материальные и интеллектуальные усилия со стороны ведущих стран мира. Дело в том, что элементарный акт синтеза происходит лишь тогда, когда ядра сблизятся на очень небольшое расстояние (порядка см), когда между частицами начнут действовать ядерные силы. А для этого положительно заряженным ядрам необходимо преодолеть электростатическое отталкивание, что возможно лишь при больших относительных скоростях частиц. Чтобы атомы вещества двигались с большими скоростями, вещество должно быть нагрето до очень высоких температур. Реакции синтеза возможны лишь при сильном нагреве вещества, поэтому их называют термоядерными реакциями. Расчеты показывают, что синтез ядер изотопов водорода может происходить при гигантских температурах в сотни миллионов градусов. При таких температурах вещество не может находиться в нейтральном состоянии, атомы вещества полностью ионизуются. Вещество в таком состоянии называется плазмой. Наибольшая трудность заключается в необходимости изолировать горячую плазму от контакта со стенками сосуда, в котором она находится. В противном случае плазма, вследствие хорошей теплопроводности, отдаст стенкам подведенную к ней тепловую энергию. Для предотвращения контакта плазмы со стенками в средине прошлого века была предложена идея магнитного удержания плазмы. Суть ее заключается в том, что ионизованные частицы, из которых состоит плазма, не могут перемещаться перпендикулярно магнитным силовым линиям. Таким образом, окружая плазму магнитным полем соответствующей конфигурации, в принципе можно добиться удержания плазмы.

Итак, трудность осуществления управляемой термоядерной реакции заключается, во-первых, в необходимости нагреть изотопы водорода до фантастических температур порядка градусов, во-вторых, удерживать плотную высокотемпературную плазму достаточно долго, чтобы успели вступить в реакцию достаточно много ядер и выделившаяся при этом энергия превысила энергию, потраченную на нагрев плазмы, а также остальные энергетические затраты, связанные с функционированием реактора. Поэтому основными критериями успехов ученых в решении термоядерной проблемы являются значения таких параметров, как температура плазмы, ее плотность и время удержания.

Наиболее перспективными ловушками для удержания плазмы специалисты считают тороидальные камеры с магнитными катушками (токамаки). В них магнитные силовые линии являются замкнутыми и представляются в виде тора. Наиболее крупным из отечественных токамаков является токамак Т-10, запущенный в Институте атомной энергии им. Курчатова в 1975 г. (тороидальное магнитное поле 5 Тл, температура плазмы , ее плотность , время удержания – 0,07 с). На токамаке TFTR (США) в конце 1986 г. была получена рекордная температура К. При увеличении на порядок плотности плазмы или времени ее удержания в таком токамаке выделяющаяся термоядерная энергия уже будет равна энергии, затраченной на нагрев и удержание плазмы. Поскольку токамаки весьма сложные и дорогостоящие установки Международное агентство по ядерной энергии решило объединить усилия ведущих стран мира для создания опытного термоядерного реактора. Будущая установка получила названия ИТЭР (Интернациональный термоядерный экспериментальный реактор). ИТЭР еще не будет экономически выгодным реактором. Его цель – доказать возможность получения и использования в промышленных целях энергии ядерного синтеза легких элементов.