Недавно одна из очень скрытных компаний, Tri Alpha Energy, заявила о создании устройства, способного генерировать устойчивое облако плазмы с температурой около 10 миллионов градусов. Такая температура необходима для протекания термоядерной реакции, но, к сожалению, пока недостаточна. Узнав об этом, мы решили выяснить, какие еще небольшие частные компании участвуют в термоядерной гонке, и имеют ли они шансы обойти гигантов ITER и NIF.
Для начала надо разобраться с тем, что же такое «управляемый термоядерный синтез». Как и любой синтез, этот процесс предполагает смешивание двух или более компонентов для получения третьей. Например, в химии, чтобы получить воду нужно смешать кислород и водород, при этом выделяется очень много энергии — при довольно широком спектре условий этот процесс может закончиться взрывом. Но если управлять процессом горения водорода, то можно добиться устойчивого факела, непрерывно отдающего тепло.
Так и здесь, в термоядерном синтезе, происходит слияние атомных ядер. Для того, чтобы этот процесс произошел, нужно добиться нескольких важных условий. Первое — очистить атом от «кожуры», электронов и второе — добиться температур и плотности, при которых ядра могут сталкиваться между собой, невзирая на электростатическое отталкивание. При достижении этих требований может произойти запуск процесса слияния ядер, который как и реакция водорода с кислородом будет производить энергию — только в гораздо больших количествах.
Попробуем оценить температуры, при которых может происходить ядерный синтез. Рассмотрим простую систему, пусть сталкиваются ядра дейтерия и трития (изотопы водорода, у первого в ядре один протон и один нейтрон, у второго один протон и два нейтрона). Каждое из них несет положительный заряд, величиной в один заряд протона. Для того, чтобы слияние ядер произошло, необходимо сблизить их на расстояние порядка размеров ядра — в такой ситуации электростатическое отталкивание (одинаковые заряды отталкиваются) между ними окажется слабее, чем сильное взаимодействие, стремящееся к слиянию ядер.
Тогда для сближения двух частиц нам необходимо совершить работу против электрических сил — это энергия, которую можно рассчитать из формул школьной физики.
Подставим в формулу необходимые величины:
Заряд каждого из ядер q — 1,6×10-19 кулон. Константа k — 9×109 фарадей на метр Расстояние r, равное характерному размеру ядра — 10-14 метра (10 фемтометров)
В результате мы получаем величину энергии, примерно 2,3×10-14 джоулей. Эта энергия может быть взята из кинетической энергии ядер, связанной с их скоростями. Чем горячее плазма, в которой находятся ядра, тем она больше.
Eкин = 3⁄2kТ, где k — постоянная Больцмана, 1,38×10-23 джоулей на кельвин.
Сделав необходимые подстановки, мы получаем, что для того, чтобы термоядерный синтез мог начаться хотя бы для половины атомов плазмы, ее температура должна достичь примерно миллиарда кельвинов. На этом фоне достижение Tri Alpha Energy выглядит уже не таким серьезным. На самом деле, температура, необходимая для запуска такого термоядерного синтеза несколько меньше — примерно на порядок. Это связано с тем, что для запуска реакции достаточно, чтобы сравнительно небольшой процент частиц достиг требуемой энергии — меньше половины. Напомним, что в газах скорости частиц не равны между собой — какие-то из них могут иметь скорость больше средней, какие-то меньше.
Отметим еще один важный момент: термоядерный синтез на Солнце идет при температурах гораздо меньших, чем сотни миллионов градусов — так, температура ядра Солнца оценивается в 13,5 миллионов кельвинов. Но в звездах механизм протекания реакции несколько иной, в частности, в ней участвует туннелирование ядер через кулоновский барьер. К тому же, если в облаке плазмы энергия половины частиц была бы соответствующей энергии термоядерной реакции, то сам синтез произошел бы практически мгновенно.
В реакторах играют роль и другие параметры, связанные с состоянием вещества, в частности, время удержания плазмы и концентрация частиц в ней. Произведение этих величин, известное как критерий Лоусона, должно превышать определенное, довольно большое, критическое значение для поддержания реакции синтеза.
Фотография: NASA
Из этих арифметических выкладок появляется элементарное следствие: одни из главных проблем термоядерного синтеза — разогрев вещества до таких высоких температур и удержание его. Атомы при этом полностью лишаются электронных оболочек и вещество переходит в состояние плазмы, состоящей только из заряженных частиц. Именно благодаря этому свойству физики научились удерживать ее в специальных устройствах — токамаках. Кстати, разработаны они были советскими физиками, Игорем Таммом и Андреем Сахаровым.
Токамаки похожи на о