Что такое ядерный синтез и спасет ли он планету от климатического кризиса

Если все пойдет по плану, США к 2035 году ликвидируют все выбросы парниковых газов в своем секторе электроэнергетики. В этой амбициозной цели правительство, в основном, полагается на резкое увеличение производства энергии ветра и солнца. Вскоре этот план может получить поддержку и ядерного синтеза — мощной технологии, которая до недавнего времени казалась недосягаемой. Рассказываем, что это такое и помогут ли ядерные технологии климату.

Что такое ядерный синтез?

Ядерный синтез (в данном случае речь о термоядерном синтезе) это реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Такая реакция обратна делению атомов: в последней энергия выделяется за счет расщепления тяжелых ядер на более легкие.

Согласно современным астрофизическим представлениям, основным источником энергии Солнца и других звезд является происходящий в их недрах термоядерный синтез. В земных условиях он осуществляется при взрыве водородной бомбы. Термоядерный синтез сопровождается колоссальным энерговыделением на единицу массы реагирующих веществ (примерно в 10 миллионов раз большим, чем в химических реакциях). Поэтому представляет большой интерес овладеть этим процессом и на его основе создать дешевый и экологически чистый источник энергии. Однако несмотря на то, что исследованиями управляемого термоядерного синтеза (УТС) заняты большие научно-технические коллективы во многих развитых странах, предстоит решить еще немало сложных проблем, прежде чем промышленное производство термоядерной энергии станет реальностью.

Современные атомные станции, использующие процесс деления, лишь отчасти удовлетворяют мировые потребности в электроэнергии. Топливом для них служат естественные радиоактивные элементы уран и торий, распространенность и запасы которых в природе весьма ограничены; поэтому для многих стран возникает проблема их импорта. Главным компонентом термоядерного топлива является изотоп водорода дейтерий, который содержится в морской воде. Запасы его общедоступны и очень велики (мировой океан покрывает ~71% площади поверхности Земли, а на долю дейтерия приходится ок. 0,016% общего числа атомов водорода, входящих в состав воды).

Помимо доступности топлива, термоядерные источники энергии имеют следующие важные преимущества перед атомными станциями:

  • реактор УТС содержит гораздо меньше радиоактивных материалов, чем атомный реактор деления, и поэтому последствия случайного выброса радиоактивных продуктов менее опасны;
  • при термоядерных реакциях образуется меньше долгоживущих радиоактивных отходов;
  • УТС допускает прямое получение электроэнергии.

Успешное осуществление реакции синтеза зависит от свойств используемых атомных ядер и возможности получения плотной высокотемпературной плазмы, которая необходима для инициирования реакции.

Как выделяется энергия при синтезе?

Энерговыделение при ядерном синтезе обусловлено действующими внутри ядра чрезвычайно интенсивными силами притяжения; эти силы удерживают вместе входящие в состав ядра протоны и нейтроны. Они очень интенсивны и чрезвычайно быстро ослабевают с увеличением расстояния. Помимо этих сил, положительно заряженные протоны создают электростатические силы отталкивания. Радиус действия электростатических сил гораздо больше, чем у ядерных, поэтому они начинают преобладать, когда ядра удалены друг от друга.

В нормальных условиях кинетическая энергия ядер легких атомов слишком мала для того, чтобы, преодолев электростатическое отталкивание, они могли сблизиться и вступить в ядерную реакцию. Однако отталкивание можно преодолеть «грубой» силой, например сталкивая ядра, обладающие высокой относительной скоростью.

Зачем ученые занимаются ядерным синтезом?

Исследователи, разрабатывающие термоядерный реактор, который может генерировать больше энергии, чем потребляет, показали в серии недавних работ, что их конструкция должна работать, восстанавливая оптимизм в отношении того, что этот чистый, безграничный источник энергии поможет смягчить климатический кризис.

Группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) и других институтов заявляют, что компактный термоядерный реактор SPARC будет работать в реальности. По крайней мере, теоретически, о чем они утверждают в серии недавно опубликованных исследований.

Команда указывает, что на этапах планирования не было обнаружено никаких неожиданных препятствий или сюрпризов. Об этом говорится в семи статьях, написанным 47-ю исследователями из 12 разных научных учреждений.

Хотя новый реактор все еще находится на ранней стадии разработки, ученые надеются, что к концу десятилетия он сможет начать производить электричество. Мартин Гринвальд, один из старших ученых проекта, рассказал в интервью The Guardian, что ключевой мотивацией для амбициозных сроков является удовлетворение потребностей в энергии в условиях потепления. «Fusion кажется одним из возможных решений, позволяющих выбраться из надвигающейся климатической катастрофы», — сказал он.

В чем проблема синтеза и как он может помочь планете?

Ядерный синтез, физический процесс, который приводит в действие наше Солнце, происходит, когда атомы сталкиваются вместе при чрезвычайно высоких температурах и давлении, заставляя их выделять огромное количество энергии за счет слияния с более тяжелыми атомами.

С тех пор, как он был впервые обнаружен в прошлом веке, ученые стремились использовать термоядерный синтез, чрезвычайно плотную форму энергии, топливо которой — изотопы водорода — в изобилии и пополняется. Более того, термоядерный синтез не производит парниковых газов или углерода и, в отличие от ядерных реакторов деления, не несет риска расплавления.

Однако использование этой формы ядерной энергии оказалось чрезвычайно трудным, поскольку потребовалось нагреть «суп из субатомных частиц» — плазму, до сотен миллионов градусов — слишком горячих, чтобы их мог выдержать любой контейнер. Чтобы обойти это, ученые разработали камеру в форме пончика с сильным магнитным полем, проходящую через нее, названную токамаком, которая удерживает плазму на месте.

Что уже разрабатывается?

Ученые Массачусетского технологического института и дочерняя компания Commonwealth Fusion Systems приступили к проектированию нового реактора, более компактного, чем его предшественники, еще в начале 2018 года, а строительство начнется в первой половине следующего года. По словам исследователей и официальных лиц компании, если их график пойдет по плану, реактор под названием Sparc сможет производить электроэнергию для сети к 2030 году. Это будет намного быстрее, чем существующие крупные инициативы по термоядерной энергии.

Существующие конструкции реакторов слишком велики и дороги, чтобы реально вырабатывать электроэнергию для потребителей. Используя ультрасовременные сверхпрочные магниты, команда Массачусетского технологического института и Commonwealth Fusion надеется создать компактный, эффективный и масштабируемый реактор токамака. «Что мы действительно сделали, так это совместили существующую науку с новым материалом, чтобы открыть огромные новые возможности», — сказал Гринвальд.

После демонстрации того, что устройство Sparc теоретически может производить больше энергии, чем требуется для работы, в исследовательских работах, опубликованных в сентябре, следующим шагом является строительство реактора, а затем пилотная установка, которая будет вырабатывать электроэнергию в сети.

Все «за» и «против» ядерного синтеза

Ученые и предприниматели давно обещали, что термоядерный синтез не за горами, но столкнулись с непреодолимыми проблемами. Это вызвало нежелание инвестировать в него, особенно потому, что ветровая, солнечная и другие возобновляемые источники энергии, хотя и менее мощные, чем термоядерный синтез, стали более эффективными и рентабельными.

Но ситуация меняется. В плане Байдена на сумму 2 трлн долларов он назвал передовые ядерные технологии частью стратегии декарбонизации. Демократы впервые поддержали ядерную энергетику с 1972 года. Значительные инвестиции поступают также из частных источников, включая некоторые крупные нефтегазовые компании, которые видят термоядерный синтез как лучшая долгосрочная точка опоры, чем ветер и солнце.

По словам Боба Мамгаарда, исполнительного директора Commonwealth Fusion, цель состоит не в том, чтобы использовать термоядерный синтез для замены солнечной и ветровой энергии, а в их дополнении. «Есть вещи, которые будет сложно сделать только с использованием возобновляемых источников энергии, в промышленных масштабах, например, с питанием больших городов или производства», — сказал он. «Вот где может пригодиться синтез».

Сообщество специалистов по плазме в целом с энтузиазмом относится к прогрессу Sparc, хотя некоторые ставят под сомнение амбициозные сроки, учитывая технические и нормативные препятствия.

Дэниэл Джессби, проработавший 25 лет научным сотрудником в Принстонской лаборатории физики плазмы, скептически относится к тому, сможет ли термоядерный реактор, такой как SPARC, когда-либо стать возможным альтернативным источником энергии. По его словам, тритий, один из изотопов водорода, который будет использоваться Sparc в качестве топлива, не встречается в природе и его необходимо производить.

Команда Массачусетского технологического института предполагает, что это вещество будет непрерывно регенерироваться самой реакцией синтеза. Но Джессби считает, что для этого потребуется огромное количество электроэнергии, что сделает реактор непомерно дорогим. «Когда вы считаете, что мы получаем солнечную и ветровую энергию бесплатно, было бы глупо полагаться на реакцию синтеза», — заключает он.


Читать далее

Исследование: люди не смогут управлять сверхразумными машинами с ИИ

Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят

Посмотрите на самые красивые снимки «Хаббла». Что увидел телескоп за 30 лет?

  • Автор: Анастасия Никифорова
СЛЕДУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ РАЗДЕЛА "ВИЭ"