Энергия через край. Что такое термоядерная реакция (термоядерный синтез)?

Для многих «термоядерный синтез» звучит примерно так же, как и «синхрофазотрон». Вроде бы на слуху, но что это такое, объяснить никто толком не может. Хотя все не так уж и сложно, как может показаться человеку, далекому от физики, ведь человек использует ядерную энергию уже на протяжении более чем полувека.  Не значит ли это, что эти дебри науки недостаточно хорошо изучены, что могут быть изложены достаточно простым языком?

Само слово «синтез» - греческого происхождения и обозначает, как многие наверняка помнят (или сейчас вспомнят) еще со школы, «слияние». Действительно, термоядерный синтез – это реакция слияния легких ядер с образованием более тяжелого и выделением энергии. Легкие ядра – это ядра веществ, стоящих в начале таблицы Менделеева, где элементы, как известно, располагаются в порядке возрастания их массы.

В целом же, ядерные реакции бывают двух видов: деления и синтеза. В первых тяжелые ядра распадаются на легкие. Такие реакции – это основа ядерной энергетики. Они протекают во всех ядерных реакторах атомных электростанций. В результате реакции деления помимо легких ядер также выделяется энергия. Вот только разница в том, что при термоядерном синтезе ее в результате реакции выделяется гораздо больше. К тому же, из-за того, что процесс обратный делению, как это не парадоксально звучит, но при ядерном синтезе фактически нет радиоактивных элементов! Ведь радиоактивные элементы – это очень тяжелые ядра, которые в такой реакции просто не образуются.

В основном, исходные вещества для реакции синтеза это разновидности водорода (изотопы) – дейтерий и тритий (соответственно, ядра вдвое и втрое тяжелее обычного водорода, которые могут создаваться искусственно). Продукт такой реакции – гелий. К слову Солнце – это природный термоядерный реактор. В нем протекают термоядерные реакции, и тот факт, что звезда состоит из гелия на четверть, говорит о том, что в нем потихоньку идет отработка запасов «топлива» для реакции. А тепло, которое нас греет – это как раз то самое термоядерное тепло, выделяющееся в избытке на Солнце.

Казалось бы, почему бы тогда не использовать термоядерный синтез для получения энергии? Ведь и энергии выделяется больше, и нет проблем с радиоактивными отходами. Но тут-то кроется очень серьезная проблема. Для того, чтобы синтез был возможен, необходимо разогнать ядра до очень больших скоростей, чтобы они столкнулись и «слиплись» в единое целое - в нормальных условия при сближении они вообще отталкиваются друг от друга.

Чтобы частицы имели очень большую скорость движения, среду нужно нагреть до большой температуры. Это также отображено в названии реакции. Какие это температуры? Примерно такие же, как и на Солнце: ~100 миллионов градусов Цельсия. Понятно, что такая разогретая среда, называемая плазмой, моментально обратит в пар стенки реактора, в котором она будет находиться. Вот в этом и кроется трудность в практическом применении термоядерного синтеза на благо человечества.

Многие годы ученые в теории и на практике искали методы, как уберечь стенки реактора от раскаленной плазмы. Самой удачной идеей стала разработка, получившая название токамак (складывается из полного названия установки ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками).

Суть этого устройства, внешне похожего на большой металлический бублик, состоит в следующем. Внутрь камеры закачивается ядерное топливо (легкие ядра). Затем пропусканием электрического тока через него добиваются появление плазменного «шнура» (благо, плазма прекрасно проводит ток). На саму камеру помещаются катушки, по которым также протекает электрический ток. Сложное пространственное расположение множества катушек создает магнитное поле, которое взаимодействует с плазмой и сжимает ее внутри камеры, не допуская контакта со стенками. Так плазма под небольшим давлением удерживается в стабильном состоянии, и в ней протекает термоядерная реакция. Но в ходе многочисленных экспериментов пока не удалось добиться продолжительной работы токамака, что необходимо для промышленного использования термоядерного синтеза.

Еще одно, пока тоже чисто теоретическое, применение термоядерной реакции – двигатели космических кораблей. Суть его состоит в том, что продукты реакции термоядерного синтеза разлетаются со скоростями порядка сотни тысяч километров в секунду. Небольшое количество топлива может создать из частиц реактивную струю, которая позволит достичь ракете огромных скоростей. Но сложности в реализации этой задумки также связаны с получением и контролем над очень большими температурами, необходимыми для реакции.

Единственное практическое применение термоядерной реакции на сегодняшний день – это военное. Речь идет о термоядерной (или водородной) бомбе, мощность которой намного превосходит мощность ядерной бомбы. Сила взрыва ограничивается только количеством топлива, помещенного в бомбу. Поэтому на деле не составляет труда создать оружие, которое будет способно полностью уничтожить планету.

Смогут ли ученые и инженеры оседлать термоядерную реакцию? Поживем – увидим. Велика вероятность, что это произойдет даже при нашей с вами жизни.