Ядерныи синтез — надежда будущей энергетики
Вскоре после открытия расщепления (деления) был открыт другой процесс, называемый синтезом. В сущности, синтез противоположен расщеплению. При расщеплении тяжелое ядро делится на более легкие, а в ходе синтеза легкие ядра соединяются в более тяжелое.
Примером синтеза могут служить реакции, происходящие на Солнце. В результате ряда ядерных реакций четыре изотопа водорода-1 соединяются в гелий-4 с освобождением громадного количества энергии. Ну а здесь, на Земле, в реакции синтеза используются два других изотопа водорода: водород-2, который называется дейтерием, и водород-3, называемый тритием. По сравнению с водородом-1 дейтерий находится в обычном водороде в очень малом количестве, однако он все равно широко распространен в природе.
Ядерныи синтез — надежда будущей энергетики
Тритий в природе не встречается, но его легко получить путем бомбардировки нейтронами ядер дейтерия. В результате ядра дейтерия захватывают по одному нейтрону и образуется тритий. Реакция синтеза выражается уравнением, приведенным ниже.
Первая демонстрация ядерного синтеза (водородная бомба) была проведена военными. Водородная бомба примерно в 1000 раз мощнее атомной.
Изотопы водорода, необходимые для реакции синтеза в водородной бомбе, размещаются вокруг обычной атомной бомбы с расщепляемым зарядом. Взрыв атомной бомбы высвобождает энергию, часть которой (энергия активации) используется для запуска процесса синтеза.
Вопросы управления
Последние 45 лет ученые пытаются найти способ управления высвобождающейся энергией с помощью реакции синтеза. Медленно освобождаемую энергию можно использовать для производства электричества. Это позволит получить неисчерпаемый источник энергии, не имеющей отходов, которые нужно утилизировать, а также веществ, загрязняющих атмосферу, — будет просто создаваться «экологически чистый» гелий. Однако, чтобы достичь этой цели, нужно решить три проблемы, связанные с температурой, временем и удержанием плазмы.
Температура
Процесс синтеза требует чрезвычайно высокой энергии активации. Для ее получения необходима тепловая энергия, причем количество теплоты, позволяющее запустить реакцию синтеза, должно быть невероятно огромным. Ученые подсчитали, что порцию изотопов водорода необходимо нагреть приблизительно до 40 000 000 К. (»К» означает температурную шкалу Кельвина. Чтобы получить температуру в Кельвинах, к температуре в градусах Цельсия нужно прибавить 273. Информация, касающаяся Кельвина и его приятелей Цельсия и Фаренгейта, приведена в главе 2, «Вещество и энергия».)
Вы только представьте, ведь 40 000 000 К — это горячее, чем на Солнце! При такой температуре электроны довольно быстро «уходят из дома». При этом остается лишь положительно заряженная плазма, т. е. только ядра, разогретые до чудовищно высокой температуры. В настоящее время ученые пытаются «разогревать» вещество до такой температуры двумя способами: с помощью магнитных полей и лазеров. Однако ни тем, ни другим способом достичь нужной температуры пока не удалось.
Время
Второй проблемой, которую необходимо решить, чтобы при реакции синтеза достичь управляемого высвобождения энергии, является время. Чтобы началась реакция, заряженные ядра должны находиться на достаточно близком расстоянии друг от друга в течение определенного промежутка времени. Ученые подсчитали, что при температуре 40 000 000 К плазму необходимо удерживать в одном и том же месте в течение одной секунды.
Удержание плазмы
Существует еще одна проблема, связанная с осуществлением реакции синтеза, — это удержание плазмы. Ведь при температуре 40 000 000 К любое вещество будет находиться в газообразном состоянии. Даже специальная керамика, разработанная для космических программ, начнет испаряться при такой температуре. Однако, поскольку у плазмы есть заряд, для ее удержания можно использовать магнитное поле — своеобразную «магнитную бутылку». Впрочем, если «бутылка» будет «протекать», то реакции не произойдет. Поэтому ученые до сих пор пытаются создать такое магнитное поле, которое не позволит плазме «вытекать». Еще одним способом удержать плазму является использование лазеров, которые способны «связать» смесь водородных изотопов и дать необходимую энергию. Правда, ученые пока не нашли способ защитить от реакции синтеза сами лазеры.
Что ожидает нас в будущем
По оптимистическим прогнозам науке потребуется 5-10 лет, чтобы ядерный синтез наконец-то заработал. Речь идет о достижении точки нарушения равновесия, когда энергии образуется больше, чем тратится. Затем пройдет еще примерно 20-30 лет, пока будет создан работающий реактор синтеза. Впрочем, на то, что будет получен управляемый синтез, ученые смотрят с оптимизмом. Награда здесь велика — неограниченный источник экологически чистой энергии.
Исследования в области синтеза подсказали весьма интересную идею так называемого факела синтеза, в соответствии с которой плазму (обязательно охлаждаемую для образования пара) можно использовать для сжигания мусора и твердых отходов. Затем получившиеся отдельные атомы и малые молекулы должны собираться и использоваться в качестве сырья для промышленности. Это похоже на идеальное средство для замыкания цикла между отходами и сырьем. Время покажет, будет ли эта идея воплощена в жизнь.