Ядро атома, як ми пам'ятаємо, складається в першому наближенні з протонів і нейтронів (= нуклонів). Для того, щоб від атома відірвати всі нейтрони і протони - потрібно затратити певну енергію - енергію зв'язку ядра. Ця енергія відрізняється у різних ізотопів, і природно, при ядерних реакціях баланс енергії повинен зберігатися. Якщо побудувати графік енергії зв'язку для всіх ізотопів (з розрахунку на 1 нуклон), отримаємо наступне:
Звідси ми бачимо, що отримувати енергію ми можемо або розділяючи важкі атоми (на кшталт 235 U), або поєднуючи легкі.
Найбільш реалістичні і цікаві в практичному відношенні такі реакції синтезу:
1) 2 D + 3 T -> 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
2) 2 D + 2 D -> 3 T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%
2 D + 2 D -> 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50%
3) 2 D + 3 He -> 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
4) p + 11 B -> 3 4 He + 8.7 MeV
У цих реакціях використовується Дейтерій (D) - його можна отримувати прямо з морської води, Тритій (T) - радіоактивний ізотоп водню, зараз його отримують як відхід на звичайних ядерних реакторах, можна спеціально виробляти з літію. Гелій-3 - на зразок-б на Місяці, як ми всі вже знаємо. Бор-11 - природний бор на 80% складається з бору-11. p (Протій, атом водню) - звичайний водень.
Для порівняння, при розподілі 235 U виділяється
202.5 MeV енергії, тобто набагато більше ніж при реакції синтезу з розрахунку на 1 атом (але з розрахунку на кілограм палива - звичайно термоядерна паливо дає більше енергії).
За реакцій 1 та 2 - виходить багато дуже високоенергетичних нейтронів, які всю конструкцію реактора роблять радіоактивної. А ось реакції 3 і 4 - "без-нейтронні" (aneutronic) - не дають наведеної радіації. На жаль, побічні реакції все одно залишаються, наприклад з реакції 3 - дейтерій буде і сам з собою реагувати, і невелике нейтронне випромінювання все-таки буде.
Реакція 4 цікава тим, що в результаті отримуємо 3 альфа-частинки, з яких теоретично можна безпосередньо енергію знімати (тому що вони фактично являють собою рухомі заряди = ток).
Загалом, цікавих реакцій досить. Питання лише в тому, наскільки просто їх здійснити в реальності?
Про складність проведення реакції Людство відносно легко освоїло розподіл 235 U. ніякої складності тут немає - оскільки нейтрони не володіють зарядом, вони можуть буквально "проповзати" крізь ядро навіть з дуже малою швидкістю. У більшості реакторів ділення і використовуються як раз такі, теплові нейтрони - у яких швидкість руху можна порівняти зі швидкістю теплового руху атомів.
А ось при реакції синтезу - у нас є 2 ядра мають заряд, і вони відштовхуються один від одного. Для того, щоб зблизити їх на потрібне для реакції відстань - потрібно, щоб вони рухалися з достатньою швидкістю. Швидкості такий можна або досягти в прискорювачі (коли всі атоми в результаті рухаються з однієї оптимальною швидкістю), або нагріванням (коли атоми літають як попало в випадкових напрямках і випадкової швидкістю).
Ось графік, що показує швидкість реакції (перетин) в залежності від швидкості (= енергії) стикаються атомів:
Ось те саме, але побудоване від температури плазми, з урахуванням того, що атоми там літають з випадковою швидкістю:
Відразу бачимо, що реакція D + T - сама "легка" (їй потрібні жалюгідні 100 мільйонів градусів), D + D - приблизно в 100 разів повільніше при тих же температурах, D + 3 He йде швидше ніж конкуруюча D + D тільки при температурах порядку 1 млрд градусів.
Таким чином, тільки реакція D + T хоча б віддалено доступна людині, з усіма її недоліками (радіоактивність тритію, складності з його отриманням, наведена нейтронами радіація).
Але як ви розумієте, взяти і нагріти щось до ста мільйонів градусів і залишити реагувати не вийде - будь-які нагріті предмети випромінюють світло, і таким чином швидко остигають. Плазма нагріта до сотні мільйонів градусів - світить в рентгенівському діапазоні, і що найсумніше - вона прозора для нього. Тобто плазма з такою температурою фатально швидко остигає, і щоб підтримувати температуру потрібно постійно закачувати гігантську енергію на підтримку температури.
Втім, через те, що в термоядерному реакторі газу дуже мало (наприклад в ITER - всього пів грама), все виходить не так погано: щоб нагріти 0.5г водню до 100 млн градусів потрібно витратити приблизно стільки ж енергії, скільки для нагрівання 186 літрів води на 100 градусів.
Є ще критерій Лоусона. показує, чи буде реакція давати більше енергії, ніж витрачається. Крім температури важлива ще щільність (само собою вище щільність плазми - швидше реакція йде) і час утримання плазми (щоб встигло прореагувати). Відповідно, системи можуть бути імпульсні (Z-Machine, NIF, термоядерний заряд - короткий час реакції, висока температура і щільність) і постійні (токамак - низька щільність і температура, тривалий час реакції).
Подивимося тепер, які підходи є до реалізації термоядерного реактора.
конструкції
Зірка - природний термоядерний реактор. Гаряча плазма під високим тиском утримується гравітацією, а все що випромінюється рентгенівське випромінювання - за рахунок величезної щільності і розмірів поглинається. Таким чином ядро вистигає навіть при відносно невеликих швидкостях реакції. Через це в ядрі згоряє не тільки водень і дейтерій, а й набагато важчі елементи. На жаль, на землі таку конструкцію реалізувати важко.
"Зайві" нейтрони захоплюються літієм-6 з утворенням тритію, і утворюється якраз потрібна нам нагріта суміш дейтерію і тритію. Вони починають реагувати один з одним - і утримує їх від розльоту сила інерції щодо важкого корпусу заряду з урану. Крім цього, урановий корпус непрозорий для рентгенівського випромінювання - відповідно втрати тепла менше. Вся реакція закінчується за 1 мікросекунду - і корпус тільки-тільки починає розлітатися в різні боки.
Це була так звана "бустерна схема" ядерного заряду, де внесок термоядерної реакції невеликий, і лише дозволяє трохи підняти потужність "задешево" (плутоній - страшно дорогий, а літій - в порівнянні з ним дешевий як бруд).
Тритій безпосередньо не використовують оскільки він радіоактивний і відповідно довго не зберігається. А літій-6 стабільний, і ядерний заряд завжди готовий до бою. Можна використовувати і літій-7 - він не тільки дає тритій, а й ще один зайвий нейтрон. Про цю реакції не знали, коли американці тестували бомбу "Shrimp" ( "Креветка"). Через відсутність чистого літію-6 поклали частково збагачений в якому літію-6 було всього 40%, і розраховували на вибух в 6 мегатонн, а довбануло на 15.
Існує і схема радіаційної імплозії - коли первинний ядерний вибух рентгенівським випромінюванням обжимає і нагріває окрему сферу з термоядерним пальним.
Це звичайно все добре працює з метою руйнування, але в цілях отримання енергії цей підхід використовувати не виходить, дуже вже висока мінімальна потужність вибуху, і занадто багато звичайних радіоактивних продуктів реакції плутонію / урану.
Лінійні прискорювачі. ідея проста - беремо мішень з будь-якого зручного дейтериду металу, і в маленькому лінійному прискорювачі розганяємо до потрібної швидкості атоми тритію. Отримуємо справжню термоядерну реакцію, і виходом енергії і 14.1 MeV нейтронів. Таке джерело можна використовувати для пошуку нафти і води (наприклад на марсіанському ровері MSL стоїть російський імпульсний джерело нейтронів DAN), і в якості зовнішнього імпульсного нейтронного ініціатора в ядерних зарядах.
Чомусь же так можна виробляти електрику? На розгін атомів витрачається набагато більше енергії, ніж ми отримуємо в результаті реакції (далеко не всі розганяються атоми реагують). За моїми розрахунками DAN наприклад має ККД близько 0.0016%.
Токамак (тороїдальна камера з магнітними котушками) - ідея вже трохи складніше, в плазмовому торі як в трансформаторі наводимо струм. Навколо тора - надпровідні магніти, які "обжимають" плазму і не дають їй торкнутися стінок. Плазма нагрівається мікрохвильовим випромінюванням, і резистивним нагріванням від струму, що протікає. Коли починали працювати в цьому напрямку - здавалося: ось-ось і все буде працювати.
Проблеми у токамаков наступні (при їх майбутньому промислове використання):- Нестабільність плазми. Розряд норовить десь стає тоншою, десь - товщі, аж до розриву кільця (з припиненням струму) або киснем стінок. З проблемою боролися збільшенням розмірів камери, додаванням полоідальним магнітного поля (навколо вертикальної осі камери).
- Тритій - доріг, і його потрібно багато для виробництва енергії. Якщо ми єдиний нейтрон, що утворюється в реакції D + T за допомогою літію-6 конвертуємо в 1 атом тритію - за рахунок неминучих втрат нейтронів тритію буде все менше і менше. Необхідно використовувати розмноження нейтронів - використовуючи наприклад літій-7 або свинець, якими потрібно обкласти внутрішню стінку реактора (бланкет), і діставати звідти якось тритій.
- Потужне нейтронне випромінювання. на ту ж виробляється потужність нейтронний потік в
Стелларатор - "пом'ятий" бублик, де магнітне поле формується зовнішніми магнітами дуже хитрої форми і забезпечує стабільність плазми. У порівнянні з токамака - набагато більш складна конструкція. За "якістю" утримання плазми зараз вже поступається токамака.
NIF - National Ignition Facility - ідея в тому, щоб сфокусувати світло від 192 імпульсних лазерів на мішені, навколишнього капсулу з дейтерій-тритиевой сумішшю. Світло нагріває мішень - вона нагрівається до мільйонів градусів, і рівномірно світлом "обжимає" капсулу з термоядерним пальним. На Хабре до речі 3 роки тому писали, що там вже майже все готово.
Sandy Z-machine Ідея така: візьмемо велику купу високовольтних конденсаторів, і різко розрядимо їх через тоненькі вольфрамові зволікання в центрі машини. Зволікання миттєво випаровуються, через них продовжує текти величезний струм в 27 мільйонів ампер протягом 95 наносекунд. Плазма, нагріта до мільйонів і мільярдів (!) Градусів - випромінює рентгенівське випромінювання, і обжимає їм капсулу з дейтерій-тритиевой сумішшю в центрі (енергія імпульсу рентгенівського випромінювання - 2.7 мегаджоуля).
Levitated Dipole - "вивернутий" токамак. в центрі вакуумної камери висить Торообразная надпровідний магніт який і утримує плазму. У такій схемі плазма обіцяє бути стабільною сама по собі. Але фінансування у проекту зараз немає, схоже безпосередньо реакцію синтезу на установці не проводили.
Farnsworth-Hirsch fusor Ідея проста - розміщуємо дві сферичні сітки у вакуумній камері наповненою дейтерієм, або дейтерій-тритиевой сумішшю, докладаємо між ними потенціал в 50-200 тисяч вольт. В електричному полі атоми починають літати навколо центру камери, іноді стикаючись між собою.
Вихід нейтронів є, але він досить малий. Великі втрати енергії на гальмівне рентгенівське випромінювання, внутрішня сітка швидко розжарюється і випаровується від зіткнень з атомами і електронами. Хоча конструкція цікава з академічної точки зору (зібрати її може будь-який студент), ККД генерації нейтронів набагато нижче лінійних прискорювачів.
Polywell - хороші нагадування про те, що не всі роботи з термоядерного синтезу публічні. Робота фінансувалася ВМФ США, і була засекречена, поки не були отримані негативні результати.
Ідея - розвиток Farnsworth-Hirsch fusor. Центральний негативний електрод, з яким було найбільше проблем, ми замінюємо хмарою електронів, утримуваних магнітним полем в центрі камери. Всі тестові моделі мали звичайні, а не надпровідні магніти. Реакція давала поодинокі нейтрони. Загалом, ніякої революції. Можливо, збільшення розмірів і надпровідні магніти і змінили б щось.
Мюонний каталіз - радикально відрізняється ідея. Беремо негативно-заряджений мюон, і замінюємо їм електрон в атомі. Оскільки мюон в 207 разів важче електрона - в молекулі водню 2 атома будуть набагато ближче один до одного, і станеться реакція синтезу. Єдина проблема - якщо в результаті реакції утворюється гелій (шанс
1%), і мюон полетить з ним - більше в реакціях він участі не зможе (тому що гелій не утворює хімічної сполуки з воднем).
Проблема тут в тому, що генерація мюона на даний момент вимагає більше енергії, ніж може вийде в ланцюжку реакцій, і таким чином поки енергію тут не отримати.
"Холодний" термоядерний синтез (сюди не включено "холодний" мюонний каталіз) - давно є пасовищем псевдовчених. Науково підтверджених і незалежно повторюваних позитивних результатів немає. А сенсації на рівні жовтої преси були вже не раз і до E-Cat-а Андреа Россі.
- Термоядерна енергія - зовсім не така кристально чиста. На єдиній реалістичною на даний момент реакції D + T потік нейтронів, який зробить радіоактивними будь-які елементи конструкції - в