Реакции синтеза происходят в агрегатном состоянии вещества, называемом плазмой - горячем заряженном газе, состоящем из положительных ионов и свободно движущихся электронов, который обладает уникальными свойствами, отличными от свойств твердых тел, жидкостей или газов.
Солнце, как и другие звезды, излучает энергию именно благодаря этой реакции.
Для того чтобы внутри Солнца произошло слияние ядер, они должны столкнуться друг с другом при чрезвычайно высокой температуре, около 10 млн оС.
Высокая температура дает им достаточно энергии, чтобы преодолеть взаимное электрическое отталкивание.
Как только ядра преодолевают его и оказываются на очень близком расстоянии друг от друга, ядерная сила притяжения между ними перевешивает силу отталкивания и позволяет им слиться.
Чтобы это произошло, ядра должны находиться в замкнутом пространстве, что увеличивает вероятность их столкновения.
Идеальные условия для термоядерного синтеза на Солнце обеспечивает колоссальное давление, создаваемое мощной гравитацией.
Зачем это надо?
С тех пор, как в 1930х гг. была сформулирована теория ядерного синтеза, многие ученые стремились воспроизвести этот процесс и управлять им.Это связано с тем, что если ядерный синтез удастся запустить на Земле и реализовать в промышленных масштабах, то он сможет обеспечить практически безграничное количество чистой, безопасной и доступной энергии для удовлетворения мировых потребностей.
Термоядерный синтез способен генерировать в 4 раза больше энергии на 1 кг топлива, чем деление ядер (используемое на атомных электростанциях) и почти в 4 млн раз больше энергии, чем сжигание нефти или угля.
Концепции
Большинство разрабатываемых концепций термоядерных реакторов предполагают использование смеси дейтерия и трития - атомов водорода, содержащих дополнительные нейтроны.Теоретически, используя всего несколько граммов этих реактивов, можно получить тераджоуль энергии - такого количества энергии 1 жителю развитой страны может хватить примерно на 60 лет.
Термоядерное топливо широко распространено и легко доступно:
- дейтерий может быть извлечен из морской воды, для чего не требуются дорогостоящие технологии,
- тритий потенциально может быть получен в результате реакции нейтронов, генерируемых при термоядерном синтезе, с литием, широко доступным в природе.
Также будущие термоядерные реакторы безопасны по своей природе и, как ожидается, не будут вырабатывать высокоактивные или долгоживущие ядерные отходы.
Кроме того:
- поскольку процесс термоядерного синтеза трудно запустить и поддерживать, нет риска возникновения цепной реакции и расплавления реактора;
- термоядерный синтез может происходить только в строгих эксплуатационных условиях, вне которых (например, в случае аварии или отказа системы) плазма естественным образом остынет, очень быстро потеряет свою энергию и погаснет, прежде чем реактору будет нанесен какой-либо существенный ущерб.
Чего уже добились ученые
Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов, хотя пока и без выделения бóльшего количества энергии, чем изначально требовалось для запуска самой реакции.Специалистами уже были придуманы различные конструкции и установки на основе магнитов, в которых может происходить реакция термоядерного синтеза, такие как стеллараторы, разработанные в США Л. Спитцером, и токамаки, разработанные в СССР А. Сахаровым и И. Таммом, а также подходы, основанные на использовании лазеров, линейных ускорителей и усовершенствованного топлива.
Сколько времени потребуется для успешного освоения термоядерной энергии будет зависеть от мобилизации ресурсов за счет создания глобальных партнерств и налаживания сотрудничества, а также от того, насколько быстро промышленность сможет разработать, проверить и сертифицировать новые термоядерные технологии.
Другим важным вопросом является параллельное развитие необходимой ядерной инфраструктуры, в том числе требований, стандартов и передового опыта, необходимых для работы с этим будущим источником энергии.
После 10 лет проектирования, подготовки площадки и производства компонентов по всему миру, в 2020 г. во Франции началась сборка ИТЭР - крупнейшей в мире международной термоядерной установки.
ИТЭР - это международный проект, целью которого является демонстрация научной и технологической осуществимости производства термоядерной энергии, а также отработка технологий и концепций для будущих демонстрационных термоядерных энергетических установок, называемых DEMO.
ИТЭР начнет осуществлять свои первые эксперименты во 2й половине этого десятилетия, а эксперименты на полной мощности планируется начать в 2036 г.
Временные рамки реализации программ DEMO в разных странах варьируются, но эксперты сходятся во мнении, что термоядерная электростанция, вырабатывающая электроэнергию, может быть построена и запущена к 2050 г.
Источник текста: МАГАТЭ
