Приручение энергии термоядерного синтеза

В лаборатории американского научного комплекса National Ignition Facility была успешно протестирована система запуска инерциального управляемого термоядерного синтеза, действие которой обеспечивают 192 лазерных пучка. Физики уверены, что с ее помощью удастся моментально нагреть реакционную смесь до сверхвысокой температуры и запустить реакцию.

Напомню, что термоядерным синтезом называется реакция, при которой из ядер легких химических элементов образуются более тяжелые. Хотя при некоторых из них масса получающихся ядер (плюс масса образующихся в качестве побочного продукта элементарных частиц) меньше массы исходных ядер, участвующих в реакции, а избыток массы преобразуется в энергию.

Этот синтез, как мы знаем, служит основным источником энергии звезд. Там происходит термоядерный синтез гелия из ядер водорода — протонов. Эта реакция происходит в три этапа — на первом из обычного водорода в результате столкновения двух протонов образуется дейтерий (тяжелый изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона).

Далее образуется другой изотоп водорода — тритий (у него один протон и два нейтрона), а потом они сталкиваются между собой, давая ядро гелия. При этом испускается один нейтрон и огромное количество энергии. Суммарное уравнение этой реакции выглядит следующим образом:

³Н+²Н→⁴Не+n

Попытки воспроизвести простейшую термоядерную реакцию, каковой является управляемый синтез водорода, ученые предпринимали начиная с середины ХХ века. Дело в том, что запасы дейтерия в мировом океане практически неограничены и он может стать буквально неисчерпаемым источником энергии для человечества на многие века. Однако для этого нужно заставить ядра этого изотопа вступить между собой в реакцию синтеза. А это, честно говоря, весьма непросто.

Основная проблема с получением управляемого термоядерного синтеза трития и дейтерия заключается в том, как разогнать два положительно заряженных ядра до нужной скорости и заставить их сблизиться на необходимое для начала реакции синтеза минимальное расстояние, преодолев силу электростатического отталкивания (которое, согласно закону Кулона, всегда возникает на малых расстояниях между одинаково заряженными частицами). На практике это означает, что реакционную смесь нужно разогреть до температуры в миллионы градусов.

Однако подобного нагрева не выдержит никакая материальная оболочка, в которую данная смесь будет заключена. Впрочем, даже если подобную оболочку все-таки удастся создать, все равно подобная методика не принесет большой пользы, ибо в результате реакции термоядерного синтеза вряд ли будет получено больше энергии, чем ее было затрачено на разогрев смеси и запуск реакции.

Обычно ядерщики для запуска реакции используют устройства, называемые магнитными ловушками. При ее использовании реакционная плазма, состоящая из трития и дейтерия, удерживается сверхмощным магнитным полем. Поскольку по мере повышения температуры силовые линии магнитного поля уплотняются и горячая плазма стягивается от стен контейнера к его центру. Тут-то и происходит сближение заряженных частиц на расстояние, необходимое для запуска термоядерной реакции.

Американские физики из National Ignition Facility (NIF) решили пойти по другому пути и создать так называемую инерциальную ловушку. В их экспериментах планируется использовать все те же дейтерий и тритий. Сам способ основывается на том, чтобы, используя внешнюю энергию, вызвать моментальный нагрев данной смеси до сверхвысоких температур.

В данном реакторе, как предполагается, будут использоваться содержащие внутри плазму сферические конструкции с оболочкой из бериллия, поглощающей эту самую подаваемую извне энергию. Считается, что такое быстрое поглощение энергии должно приводить к испарению и быстрому истечению вещества (абляции) с поверхности сферы. Взрывной процесс абляции даст направленную внутрь ударную волну, которая сожмет и нагреет топливо, находящееся в центральной части мишени, до термоядерных параметров, после чего горение начнет распространяться из центра к периферии.

Поскольку подводить энергию к сферам можно разными способами, то проектировщикам NIF оставалось лишь выбрать один из них. Они решили использовать лазерное воздействие, которое достаточно просто осуществить. Правда, лучи будут направлены не на саму сферу с бериллиевой оболочкой и дейтерий-тритиевым наполнителем, а на металлический цилиндр, в котором она находится. Последний должен нагреваться и отдавать полученную энергию в виде рентгеновского излучения, а оно уже будет взаимодействовать с мишенью. Предполагается использовать 192 лазерных пучка — считается, они смогут поставить необходимое количество энергии для запуска термоядерного синтеза.

Сравнив данные измерений с теоретическими расчетами, исследователи, установили, что эффективность преобразования лазерного излучения в рентгеновское доходит до 90 процентов, а радиационная температура цилиндров превышает 300 эВ (3,6 миллионов градусов Цельсия). Сфера сжимается равномерно, с уменьшением диаметра от 2,2 милиметра до 100 микрометров. "Результаты даже превзошли наши ожидания. Существовали некоторые опасения, что мы не достигнем нужной температуры, но все обошлось", — говорит руководитель NIF Эдвард Мозес.

По его словам, первые эксперименты по запуску термоядерного синтеза в NIF могут начаться уже в следующем году. "Я думаю, весной или летом 2012-го все будет готово", — предполагает ученый. И если это действительно произойдет, то будет сделан еще один шаг человечества на пути к "приручению" энергии термоядерного синтеза.

Антон Евсеев