4.8. Реакция синтеза. Проблемы её осуществления в управляемом виде
Анализ рис. 4.2 показывает, что с выделением энергии должна происходить не только реакция деления тяжёлых ядер, но и реакция синтеза легких ядер. Объединяя два ядра дейтерия в ядро гелия:
| 1D2 + 1D2 ® 2He4, | (4.16) |
мы должны получить энергию.
Ведь те же четыре нуклона, которые теперь соединены в ядре гелия, ранее требовали для связи каждого нуклона с ядром на 4 MэВ бόльшую энергию. Объединение двух ядер в одно может произойти только при сближении их на расстояние, равное действию ядерных сил, т.е. 10–15 м. Для этого приходится преодолевать электростатическое отталкивание двух положительных зарядов, которое, как мы знаем, возрастает с уменьшением расстояния: F ~ 1/r2. Слияния двух ядер в одно удаётся добиться, разгоняя их в ускорителях и направляя пучки частиц друг на друга.Реакция (4.16) примечательна тем, что её продукт стабилен, а сама реакция не порождает проникающего излучения, однако более вероятны следующие реакции синтеза:
| 3Li6 + 0n1 ® 1T3 + 2He4; 1T3 + 1D2 ® 2He4 + 0n1. | (4.17) |
Эти реакции интересны по двум причинам. Во-первых, литий — металл, он в конденсированном состоянии может быть обстрелян нейтронами. Во-вторых, образовавшийся тритий 1Т3, столкнувшись с ядром дейтерия — дейтоном 1D2, даст гелий и нейтрон, необходимый для осуществления первой реакции. Первая реакция получается самоподдерживающейся, т.е. цепной. Выполнено условие получения энергии в промышленных масштабах.
Реальный синтез лёгких ядер происходит в недрах Солнца, где есть для этого подходящие условия.
Каждая из реакций, обеспечивающих излучаемую им энергию, была осуществлена на Земле еще до 1939 года, но лишь на ускорителях, где затраченная энергия, пошедшая на то, чтобы вызвать реакцию, существенно больше энергии полученной от этой реакции. Реакция синтеза, идущая сама по себе, т.е. такая, которую можно использовать в промышленных целях, может идти при очень высокой температуре, оценить которую можно, приравнивая потенциальную энергию кулоновского отталкивания ядер в момент их сближения до радиуса действия ядерных сил rя их средней энергии теплового движения: . | (4.15) |
Подставляя rя = 5?10–15 м, q1 = q2 = 1,6?10–19 Кл и значения постоянных, получаем, что температура, необходимая для слияния двух ядер дейтерия, имеет порядок 108 К. Поскольку самоподдерживающаяся реакция синтеза может проходить только при очень высокой температуре, она называется термоядерной реакцией.
Раз начавшись, реакция сама поддерживает температуру, нужную для её осуществления, если плотность плазмы достаточно велика. И здесь на первый план выступает проблема удержания вещества, участвующего в реакции. На Солнце оно удерживается полем тяготения. На Земле необходимо решить две тесно связанные между собой проблемы: как создать достаточно высокую температуру, минуя ядерный взрыв, и как удержать затем нагретую плазму в ограниченном объеме. Ведь соприкосновение газа, нагретого до миллионов градусов, со стенками любого контейнера, приведет к охлаждению газа и к мгновенному расплавлению контейнера.
Способ совместного решения обеих проблем был предложен академиками И.Е. Таммом и А.Д. Сахаровым и осуществлён в установке «Токамак» ("тороидальная камера с магнитными катушками"). Идея основана на магнитном взаимодействии параллельно текущих токов. Вызванные этими токами поля можно изобразить замкнутыми линиями, охватывающими каждый ток.
Направление силовых линий определяется правилом буравчика, а направление силы Ампера, действующей на ток в магнитном поле — правилом левой руки. Оказывается, что текущие параллельно токи притягиваются, в силу чего ионизированный газ, через который пропускается ток, отходит от стенок и стягивается к центру сосуда. Если сила тока достаточно велика, (в «Токамаке» она достигает миллионов ампер), то в соответствии с законом Джоуля — Ленца газ нагреется до требуемой температуры. Естественно, речь идет об ионизированном газе, поскольку в противном случае ток через него не протечёт. Полностью ионизированный газ называется высокотемпературной плазмой.Проблема извлечения энергии из плазмы, находящейся при высокой температуре, также принципиально решается. Это можно сделать, например, с помощью МГД–генератора [16].
Нагрев плазмы до требуемой для термоядерной реакции температуры и её удержание, осуществляемые по указанному выше принципу на установках типа «Токамак», дают возможность осуществить кратковременную термоядерную реакцию. Но масштабы этой реакции ещё очень далеки от промышленных. Затраты на осуществление термоядерной реакции превышают энергию, полученную от неё. Попытки осуществить эту реакцию другими методами (например, путём удержания и разогрева плазмы с помощью мощных лазеров) дали пока примерно те же результаты.
Если реакция деления тяжёлых ядер отодвигает глобальный энергетический кризис человечества (полное истощение запасов нефти, газа и других видов органического топлива) лишь на несколько столетий, то осуществление термоядерной реакции практически решило бы эту проблему, поскольку запасы термоядерного топлива — тяжёлой воды — практически неисчерпаемы. Попутно решилась бы проблема загрязнения окружающей среды радиоактивными отходами, неизбежными при работе ядерных реакторов на основе реакции деления.
Вопрос о возможностях использования термоядерной реакции в целях получения энергии нельзя рассматривать изолированно от общих проблем энергетики. Основная из них сводится к следующему: любое повышение уровня жизни людей, технический прогресс связаны с увеличением потребляемой энергии на душу населения.
Этот показатель непрерывно растёт. Потребление энергии ведёт к неминуемому выбросу её в окружающую среду. Чтобы убедиться в этом, вспомните простейшие бытовые приборы: холодильник, телевизор, стиральная машина, автомобиль. Выброс потребляемой энергии в окружающую среду безвреден не беспредельно: если к тому, что мы получаем от Солнца, добавить 1% от этой величины, произойдёт нагрев биосферы на один градус, что изменит климат, непредсказуемо повлияет на животный и растительный мир. Допустимой считается добавка в 0,1% [17]. Потребляемая по всей планете энергия известна, известен и процент её выброса, и темп его роста с развитием энергетики. Даже если выбросы в окружающую среду не будут расти, что маловероятно, то добавление в биосферу продукции жизнедеятельности человечества достигнет критической отметки примерно к 2070 году. Поэтому крайне актуально сейчас обращать внимание на природу и источники используемой энергии.Источники энергии принято делить по следующим признакам:
| не засоряющие | засоряющие |
| не добавляющие | добавляющие |
| возобновляемые | не возобновляемые |
К первой группе относятся солнце, ветер, вода. Ко второй — уголь, нефть, уран, химические источники, термоядерная реакция. Источники энергии первой группы называют альтернативными. Развитие их и есть энергетика будущего.