Путь к энергии
О том, что грядущая энергетика будет термоядерной, в последние лет шестьдесят не писал только ленивый. Однако нехитрая на бумаге реакция по-прежнему далека от промышленного освоения. Построенные до сего дня установки дали возможность физикам узнать многое о раскаленной плазме и процессах в ней, но пока не позволили воспроизвести звездные реалии на Земле. Это неудивительно, поскольку действующая техника, по сути, представляет собой лабораторные образцы - ее задача, грубо говоря, заключается в том, чтобы посмотреть, до какой отметки мы сможем нагреть плазму и что с ней при этом произойдет.
ИТЭР строится для экспериментальной проверки того, что существующие на сегодня технологии пригодны для промышленного термоядерного синтеза. Выражаясь проще, его задача в том, чтобы нагреть плазму до нужной температуры, провести термоядерную реакцию и убедиться в том, что при этом получено энергии больше, чем потрачено, причем настолько, насколько планировали. Это коротко пишется, но на самом деле речь идет об исследовательской программе длиною в годы.
Чтобы рассказать о новой установке, нам потребуется начать издалека. Всякая энергетика начинается с горючего, термоядерная - не исключение.
Горючее
Физики знают много термоядерных реакций, но ключевое значение для нас сейчас имеет одна: слияние ядер дейтерия и трития с образованием альфа-частицы (т. е. ядра гелия) и нейтрона. Энергетический выход реакции распределяется между ее продуктами как их кинетическая энергия. Альфа-частица, будучи заряженной, остается в плазме. Нейтрон покидает сцену и по пути взаимодействует с веществом, из которого состоят стенки камеры, разогревая его. Потом избыточное тепло снимается со стенок теплоносителем и отправляется для дальнейшего использования. Точнее, будет отправляться - работающих термоядерных АЭС пока нет.
Дейтерий и тритий - изотопы водорода, отличающиеся количеством нейтронов: один и два соответственно. Первый из них стабилен и встречается в природе в относительном изобилии. Технология его добычи отлажена с 40-х годов, годовой объем исчисляется тысячами тонн, никаких затруднений с ним не предвидится.
Тритий радиоактивен. Период его полураспада составляет всего-навсего дюжину лет, это означает, что в «дикой природе» этот изотоп практически не встречается. Исследователи научились получать его искусственно - из лития, бомбардируемого нейтронами, получая по одному атому трития и гелия из каждого атома лития. Промышленное производство по этой схеме приносит в масштабах всей Земли несколько килограммов трития в год. Как ни удивительно, но это очень небольшое количество имеет массу применений, включая неожиданные. Так, например, тритий применяется в часовой промышленности для раскраски стрелок и циферблатов - он светится в темноте.
Такие разные бублики
Чтобы осуществить реакцию слияния двух атомных ядер, их нужно сблизить на расстояние, при котором внутриатомные силы (сильное взаимодействие) окажутся существенно сильнее кулоновского отталкивания. Единственный реализуемый на данном этапе развития человечества способ это сделать - разогнать частицы посильнее, т. е., выражаясь попроще, - нагреть. Подвергаемые нагреву газы быстро ионизуются: температура становится слишком большой, чтобы атомное ядро могло удержать свои электроны, и те отправляются в самостоятельное путешествие. Образуется плазма, в составе которой нас дальше интересуют только атомные ядра. Ее температура в современных установках достигает десятков миллионов градусов, плазма ИТЭРа будет разогрета до 150 миллионов. Это выше температуры Солнца, ядро которого, по современным представлениям, нагрето «всего» до 13-16 миллионов градусов. В недрах звезд на протекание реакции влияют гравитация и вызванное ею давление, в земных условиях тем и другим можно пренебречь, соответственно, «запас» не будет лишним.
Зато любые манипуляции с объектом, имеющим такую температуру, на Земле немедленно упираются в проблему его удержания в замкнутом объеме. Никакое вещество, конечно, миллионов градусов не выдержит, поэтому главная «стенка», отделяющая плазму от окружающего мира, состоит не из него. Эту роль в термоядерном реакторе играет сильное магнитное поле.
Стелларатор HSX с квазисимметричным магнитным полем. США, 2006 год. Фото University of Wisconsin-Madison.
