Ядерный синтез: источник энергии звезд и надежда человечества

Синтез ядер - это процесс, в ходе которого два или более ядер лёгких атомов объединяются, образуя более тяжёлое ядро. Этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии, что делает его одним из ключевых механизмов, отвечающих за работу звёзд, в том числе и нашего Солнца.

Реакции ядерного синтеза - это реакции, в ходе которых несколько ядер легких атомов объединяются, чтобы создать новый атом с более тяжелым ядром. Масса ядра, образующегося в результате реакции такого типа, может быть несколько меньше суммы масс двух атомов, принявших участие в реакции. Разница в массе выделяется в виде энергии.

Ядерный синтез - очень эффективный способ получения энергии, гораздо более эффективный, чем любая химическая реакция наподобие сжигания нефти или древесины. Реакция ядерного синтеза генерирует примерно в десять миллионов раз больше энергии, чем любая химическая реакция.

Термоядерный синтез: ключ к энергии звезд

Наиболее распространённый процесс синтеза, происходящий в звёздах, - это термоядерный синтез (или термоядерная реакция), который требует крайне высоких температур и давлений. Термоядерные реакции - это процессы, в ходе которых лёгкие атомные ядра сливаются, образуя более тяжёлые ядра, что сопровождается выделением огромного количества энергии. Это явление происходит в условиях высокой температуры и давления, что характерно для звёзд, в том числе и нашего Солнца.

В звёздах, таких как Солнце, термоядерные реакции протекают в основном через цепочку реакций, известную как протон-протонный цикл, где водородные ядра соединяются друг с другом, образуя гелий и выделяя при этом энергию в виде света и тепла.

С точки зрения физики термоядерные реакции происходят за счёт сильного ядерного взаимодействия, которое позволяет ядрам преодолеть электростатическое отталкивание между положительно заряженными протонами. Для того чтобы ядра смогли сблизиться на расстояние, необходимое для начала такой реакции, требуется обеспечить крайне высокие температуры, достигающие миллионов градусов по Цельсию. В таких условиях частицы приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть барьер отталкивания.

Примеры термоядерных реакций

Одним из наиболее известных примеров термоядерной реакции является слияние изотопов водорода, дейтерия и трития, которые образуют гелий и выделяют большое количество энергии. Эта реакция исследуется в рамках программ по разработке термоядерного синтеза в условиях управляемой термоядерной реакции на Земле.

Ядерный синтез и теория относительности

Согласно теории относительности, масса представляет собой особую форму энергии, о чем и свидетельствует известная формула Эйнштейна E = mc². Из нее следует возможность преобразования массы в энергию и энергии в массу. И такие реакции на внутриатомном уровне вещества реально имеют место. В частности, часть массы атомного ядра может превращаться в энергию, и происходит это двумя путями.

• Во-первых, крупное ядро может распасться на несколько мелких - такой процесс называется реакцией распада.
• Во-вторых, несколько более мелких ядер могут объединиться в одно более крупное - это так называемая реакция синтеза.

Реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко - достаточно упомянуть, что именно из них черпают энергию звезды. Ядерный распад сегодня служит одним из основных источников энергии для человечества - он используется на атомных электростанциях.

И при реакции распада, и при реакции синтеза совокупная масса продуктов реакции меньше совокупной массы реагентов.

Ядерный распад: пример урана-235

В природе уран встречается в форме нескольких изотопов, один из которых - уран-235 (²³⁵U) - самопроизвольно распадается с выделением энергии. В частности, при попадании достаточно быстрого нейтрона в ядро атома ²³⁵U последнее распадается на два крупных куска и ряд мелких частиц, включая, обычно, два или три нейтрона.

Однако сложив массы крупных фрагментов и элементарных частиц, мы недосчитаемся определенной массы по сравнению с массой исходного ядра до его распада под воздействием удара нейтрона. Эта-то недостающая масса и выделяется в виде энергии, распределенной среди получившихся продуктов распада - прежде всего, кинетической энергии (энергии движения). Они представляют собой стремительно разлетающиеся от места распада частицы, при этом далеко они не улетают, врезаясь в соседние атомы вещества и разогревая их.

В уране, добываемом из природной урановой руды, изотопа урана-235 содержится всего 0,7% от общей массы урана - остальные 99,3% приходятся на долю относительно устойчивого (слабо радиоактивного) изотопа ²³⁸U, который просто поглощает свободные нейтроны, не распадаясь под их воздействием.

После этого уран-235 в составе обогащенного природного урана в атомном реакторе распадается под воздействием бомбардировки нейтронами. В результате из одного ядра ²³⁵U выделяется в среднем 2,5 новых нейтрона, каждый из которых вызывает распад еще 2,5 ядер, и запускается так называемая цепная реакция.

В атомной бомбе реакция носит умышленно неконтролируемый характер, в результате чего за доли секунды распадается огромное число ядер ²³⁵U и выделяется колоссальная по своей разрушительности взрывная энергия. В атомных реакторах, используемых в энергетике, реакцию распада необходимо строго контролировать с целью дозирования выделяемой энергии.

Хорошим поглотителем нейтронов является кадмий - его-то обычно и используют для управления интенсивностью распада в реакторах АЭС. Кадмиевые стержни погружают в активную зону реактора до уровня, необходимого для снижения скорости выделения свободной энергии до технологически разумных пределов, а в случае падения энерговыделения ниже необходимого уровня частично выводят стержни из активной зоны реакции, после чего реакция распада интенсифицируется до необходимого уровня.

Термоядерный синтез: объединение ядер

Термоядерный синтез - реакция прямо противоположная реакции распада по своей сути: более мелкие ядра объединяются в более крупные. Самая распространенная во Вселенной реакция вообще - это реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода: она непрерывно протекает в недрах практически всех видимых звезд. В чистом виде она выглядит так: четыре ядра водорода (протона) образуют атом гелия (2 протона + 2 нейтрона) с выделением ряда других частиц.

В недрах звезд реакция термоядерного синтеза происходит не единовременно (когда сталкиваются 4 протона), а в три этапа.

• Сначала из двух протонов образуется ядро дейтерия (один протон и один нейтрон).
• Затем, после попадания в ядро дейтерия еще одного протона, образуется гелий-3 (два протона и один нейтрон) плюс другие частицы.
• И наконец, два ядра гелия-3 сталкиваются, образуя гелий-4, два протона, а также другие частицы.

Однако по совокупности эта трехэтапная реакция дает чистый эффект образования из четырех протонов ядра гелия-4 с выделением энергии, уносимой быстрыми частицами, прежде всего фотонами.

Естественная реакция термоядерного синтеза происходит в звездах; искусственная - в водородной бомбе. Увы, человек до сих пор не сумел найти средств для того, чтобы направить термоядерный синтез в управляемое русло и научиться получать за счет него энергию для использования в мирных целях.

Однако ученые не теряют надежды на достижение положительных результатов в области получения «мирной и дешевой» термоядерной энергии уже в обозримом будущем - для этого главное научиться удерживать высокотемпературную плазму либо посредством лазерных лучей, либо посредством сверхмощных тороидальных электромагнитных полей.

Управляемый термоядерный синтез на Земле

Применение термоядерного синтеза в качестве источника энергии на Земле имеет множество преимуществ, включая высокую степень чистоты и практически неограниченные запасы топлива. Однако при реализации термоядерного синтеза в контролируемых условиях мы сталкиваемся с рядом сложных технических и научных проблем. Необходимость поддержания высокой температуры и давления, стабильность плазмы, а также эффективный захват выделенной энергии - всё это является объектом интенсивных исследований и разработок.

Термоядерные реакции не только определяют процессы, протекающие в звёздах, но и открывают новые горизонты в области энергетики на Земле, предлагая перспективные решения для будущих энергетических потребностей человечества.

Этапы жизни звезд и ядерный синтез

Синтез - этап в процессе формирования звезд. Звезда - огромная вращающаяся газовая сфера, где газ притягивается к центру гравитационными силами, достигая высоких давлений и температур, которые вызывают ядерные реакции.

Учитывая, что звезда представляет собой огромный ядерный реактор, ее состав не является постоянным и меняется со временем с момента ее рождения, когда звезда зажигается или «включается», до того, как звезда израсходует все свое топливо и «умрет». На разных стадиях жизни звезды меняются состав и условия, в которых находится ее плазма, а вместе с ними и реакции ядерного синтеза, которые мы наблюдаем в ее ядре.

Почему звезды сияют

Звезда главной последовательности на 70% состоит из водорода, на 28% - из гелия, на 1,5% - из углерода, озона, кислорода и неона, на 0,5% - из железа и других элементов. Поэтому основным топливом для синтеза является водород.

Ядро звезды очень горячее. Когда большое давление сжимает его, часть водорода превращается в гелий. Этот процесс производит огромное количество энергии и заставляет звезду сиять. Так, огромного давления и тепла в ядре Солнца достаточно, чтобы вызвать синтез водорода.

При термоядерном синтезе два атома водорода сжимаются вместе, в результате чего образуется один атом гелия, свободные нейтроны и большое количество энергии. Этот процесс создает всю энергию, выделяемую Солнцем, включая тепло, видимый свет и ультрафиолетовые лучи, которые в конечном итоге достигают Земли.

Водород - не единственный элемент, который можно синтезировать таким способом, но более тяжелые элементы требуют большего давления и тепла.

Что происходит, когда у звезды заканчивается водород

Рано или поздно у звезд заканчивается водород - основное и наиболее эффективное топливо для ядерного синтеза. Когда это происходит, растущая энергия, которая поддерживала равновесие, вызывает новую стадию звездного коллапса, предотвращая дальнейшую конденсацию звездных брызг.

Когда коллапс оказывает достаточно большое давление на ядро, возможен новый этап термоядерного синтеза, но сопровождающийся сжиганием более тяжелого элемента - гелия. Звезды с массой менее половины нашего Солнца не имеют возможности синтезировать гелий и становятся красными карликами.

Образование красных гигантов и белых карликов

Когда звезда начинает плавить гелий в ядре, выход энергии увеличивается в сравнении с аналогичным процессом с водородом. Это выталкивает внешние слои звезды дальше, увеличивая ее размер. По иронии судьбы, эти внешние слои теперь находятся достаточно далеко от места, где происходит синтез, и немного остывают, превращаясь из желтых в красные. Такие звезды становятся красными гигантами.

Синтез гелия относительно нестабилен, и колебания температуры могут вызывать пульсации. В качестве побочных продуктов образуется углерод и кислород. Пульсации могут привести к взрыву новой звезды и к отрыву внешних слоев звезды. Оставшееся звездное ядро постепенно остынет и превратится в белого карлика. Это вероятный финал жизни нашего Солнца. Солнцу уже около 4,6 миллиардов лет, что составляет почти половину его предполагаемого срока жизни в 10 миллиардов лет.

Образование сверхновых

Большие звезды имеют большую массу, а это означает, что, когда гелий закончится, они могут пережить новый раунд коллапса. Его давления будет достаточно для начала следующего раунда термоядерного синтеза с созданием еще более тяжелых элементов. Потенциально это может продолжаться до тех пор, пока не будет получено железо.

Железо поглощает немного энергии при своем создании. Оно отделяет элементы, которые могут производить энергию при термоядерном синтезе, от тех, которые поглощают энергию. Достигается стадия, когда термоядерный синтез истощает, а не создает энергию, хотя процесс неравномерен (синтез железа не будет происходить в ядре повсеместно).

Та же нестабильность термоядерного синтеза в сверхмассивных звездах может привести к тому, что они сбрасывают свои внешние оболочки аналогично обычным звездам, в результате чего возникает сверхновая. Вся материя во Вселенной тяжелее водорода является результатом ядерного синтеза. По-настоящему тяжелые элементы, такие как золото, свинец или уран, могут быть созданы только в результате взрывов сверхновых. Таким образом, все вещества, с которыми мы знакомы на Земле, представляют собой соединения, образовавшиеся из обломков какой-то звезды.

Нейтронные звезды и черные дыры

Если масса ядра звезды составляет от 1,4 до 3 солнечных масс, коллапс продолжается до тех пор, пока электроны и протоны не объединятся в нейтроны. Так возникают нейтронные звезды. Если масса звезды превышает 3 массы Солнца, ее ядро полностью коллапсирует, пока не образуется черная дыра.

Ядерный синтез: как это работает и почему это важно

Термоядерный синтез на Земле: перспективы и вызовы

Если ученые разработают способ использования энергии термоядерного синтеза на Земле, это может стать важным методом производства энергии. В слиянии может участвовать множество различных элементов таблицы Менделеева. Однако исследователи, работающие над применением термоядерной энергии, особенно интересуются реакцией синтеза дейтерия-трития (DT). В результате DT-синтеза образуются нейтрон и ядро гелия. При этом выделяется гораздо больше энергии, чем в большинстве реакций термоядерного синтеза.

В потенциальной термоядерной электростанции будущего, такой как токамак или стелларатор, нейтроны реакций DT будут генерировать энергию для использования человеком. Исследователи сосредоточены на реакциях DT, поскольку они производят большое количество энергии и происходят при более низких температурах, чем другие элементы.

Проект ИТЭР: шаг к термоядерной энергетике будущего

Строительство ИТЭР - самого большого токамака. Проект ИТЭР (ITER (ИТЭР - англ. International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный экспериментальный термоядерный реактор), в котором активно участвует Россия, разрабатывается с середины 1980-х годов и сейчас построен примерно на 80%. Начало ядерного синтеза планируется на период между 2025 и 2026 годами.

Выделение энергии 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 заявляет, 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, написанных 47 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.