На Земле в океанах есть огромные запасы топлива для термоядерных реакторов, но воспользоваться ими мы пока не можем. Одна из основных причин – для реакций нужны очень высокие температуры, которых на Земле нет.
Чтобы реакция синтеза произошла, нужно подвести два ядра (например, дейтерия) очень близко друг к другу, но оба ядра положительно заряжены и отталкиваются, причём чем ближе мы их подводим, тем сильнее они сопротивляются. Для преодоления электрических сил нужно, чтобы у частиц была энергия более 10 кэВ, а для этого вещество придётся нагреть до 100 миллионов градусов. Как создать условия для термоядерного синтеза и получить такие температуры?
В случае звёзд, где такие реакции идут постоянно, работает гравитация: холодный газовый сгусток сжимается за счёт своего притяжения, и в его центре возникает очень большое давление и высокая плотность вещества. Ядра оказываются близко друг к другу из-за того, что там очень тесно и «соседи» не дают им оттолкнуться. Это даёт старт первым термоядерным реакциям, от тепла которых резко возрастает температура звезды и реакции начинают идти более интенсивно. По оценкам, внутри нашего Солнца температура 15 миллионов градусов. Всё живое на Земле своим существованием обязано термоядерным реакциям в центре Солнца, свет которого нагревает поверхность планеты и даёт энергию для фотосинтеза.
Подобный подход к зажиганию термоядерных реакций (создать большую плотность вещества) реализуется и при взрыве водородной бомбы. Сначала срабатывает обычный ядерный заряд из делящихся материалов. Он даёт большое количество рентгеновских фотонов, которые отражаются от тяжёлой внешней оболочки и создают внутри неё горячую плазму с температурой несколько миллионов градусов. Внутри корпуса в этой же плазме располагается круглый контейнер с термоядерным зарядом. Стенки контейнера быстро нагреваются и испаряются из-за высокой температуры, что приводит к сильному сжатию контейнера одновременно со всех сторон – так на короткое время в его центре получается вещество с очень высокой плотностью, в котором зажигаются термоядерные реакции. Далее всё начинает быстро разлетаться, но в этом взрыве успевает выделиться очень много энергии. Такой подход (получивший название «радиационная имплозия») был предложен американскими и затем независимо советскими физиками в начале 1950-х годов.
Для термоядерных электростанций предполагается удерживать горячую плазму с помощью магнитного поля, исследования в этой области успешно ведутся более 70 лет. Здесь нет гравитационного сжатия, как в звёздах, и использовать ядерный заряд для инициации реакций мы тоже не хотим – как же получить высокие температуры? Методов оказывается совсем немного, и все их физики используют.
Первый способ: омический нагрев. Если по проводнику пропускать ток, он нагреется. Так греется спираль в чайнике на кухне. Ток по плазме в токамаках индуцируют меняющимся магнитным полем. Плазма имеет низкое сопротивление, поэтому, чтобы её нагреть, нужны большие токи: в токамаке ИТЭР будет создаваться круговой ток 15 000 000 Ампер. Для сравнения: ток в 16 Ампер является предельным для обычной розетки.
Второй способ нагрева – ввод в плазму СВЧ-излучения. Физика взаимодействия высокочастотных волн с плазмой очень сложна; в зависимости от условий мы можем нагревать электроны, ионы или создавать в плазме направленное движение частиц. Излучение создаётся с помощью специальных устройств – гиротронов. Мировыми лидерами в их создании являются Институт прикладной физики РАН, Япония и Германия. В проекте ИТЭР для нагрева электронов планируется использовать 24 гиротрона мощностью по 1 МВт (1 000 000 Вт) каждый. Для сравнения: в обычной микроволновке стоит СВЧ-магнетрон мощностью 800 Вт.
Последним доступным нам методом нагрева является инжекция в плазму быстрых частиц. Но проблема в том, что магнитные ловушки сделаны так, чтобы заряженные частицы (ионы и электроны) не могли напрямую вылететь на стенку и коснуться её. Это означает, что летящие со стороны стенки заряженные частицы тоже не смогут попасть внутрь ловушки. Нам нужно использовать незаряженные частицы – атомы. Но незаряженные частицы нельзя ускорить, а нам нужны частицы большой энергии (двигающиеся с большой скоростью), чтобы запустить термоядерные реакции. Физики нашли выход: сначала ионизуют газ из дейтерия, ускоряют электрическим полем полученные ионы и формируют из них направленный пучок. А затем на пути пучка располагают нейтрализатор, например облако газа. Пролетая его, ускоренные ионы дейтерия захватывают электроны и становятся незаряженными атомами, которые при этом сохраняют свои большую энергию и направление. Пучок нейтральных атомов свободно преодолевает магнитное поле реактора. Попав в плазму, атомы ионизуются и захватываются магнитной ловушкой. Энергия у таких частиц может быть от 20 до 1000 кэВ, что соответствует температуре от 220 миллионов до 11 миллиардов градусов, то есть они смогут преодолеть расталкивание ядер и вступить в реакции синтеза. Мировым лидером в создании инжекторов пучков нейтральных частиц для нагрева и диагностики плазмы является Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Созданные в нём инжекторы нейтралов работают во многих странах. Мощности типичных инжекторов — около 1 МВт, а для ИТЭР разрабатываются инжекторы мощностью по 17 МВт, что сравнимо с энергопотреблением небольшого города.
Инжектор нейтральных атомов мощностью 5 МВт и энергией частиц 1000 кэВ в ИЯФ СО РАН (Новосибирск).
Комбинируя разные методы нагрева, физики научились получать в магнитных ловушках плазму с температурой в десятки и сотни миллионов градусов, но, кроме нагрева плазмы, нам ещё нужно решить крайне сложные вопросы её удержания в ловушке (на примере водородной бомбы мы помним, что плазма всё время стремится разлететься во все стороны). Не менее сложным является вопрос диагностирования плазмы. Несмотря на все трудности, термоядерные реакторы становятся всё лучше и со временем начнут вырабатывать электричество и тепло для человечества.
Иллюстрации: анонс — Елена Рюмина, статья — Максим Кузин
