Возможность получения большого количества энергии постоянно привлекает внимание ученых к изучению термоядерной реакции или синтеза. Применение нового неисчерпаемого источника несет в себе большие перспективы. Такие процессы постоянно наблюдаются во вселенной. Ярким примером является Солнце, Масштабы его энерговыделения огромны и продолжаются они уже на протяжении 5 миллиардов лет.
Суть процесса
Ядерная энергия может выделяться не только делением тяжелых, но и слиянием легких ядер. Такой процесс в физике называется термоядерным синтезом. При этом энергия, которая выделится после образования единого ядра, в несколько раз больше, чем во время его распада.
Элементы, которые необходимы для получения требуемой реакции — это изотопы водорода и гелия. При этом водород представлен:
- дейтерием;
- тритием.
Если привести пример уравнения первой реакции, то оно носит следующий характер:
12Н + 13Н → 42Не + 10n
Изотопы водорода дейтерий и тритий, соединяясь, формируют ядро гелия, и еще образуется нейтрон. При этом выделяется большое количество энергии.
Параллельно проходит вторая реакция, которая имеет следующую формулу:
21Н + 21Н → 42Не
Здесь видно, что объединение происходит между двумя ядрами дейтерия. Эта реакция тоже сопровождается большим выходом энергии.
Условия протекания
Для того чтобы водородные ядра слились в единое целое, необходимо их сближение на очень малое расстояние. Сложность заключается в том, что для этого требуется преодолеть силу отталкивания, которая выражается законом Кулона. Расстояние, на которое должны приблизиться атомы водорода равно 10-12 см.
Выполнить это условие можно только в том случае, если синтез будет проходить при очень высоких температурах. Эта величина составляет порядка 108 градусов. Тогда атомы преодолевают потенциальный барьер, и происходит их слияние.
Для достижения такой температуры необходим обычный ядерный взрыв. Получается, что на первом этапе происходит деление тяжелых ядер. Дальше начинается сам процесс термоядерной реакции.
Этот принцип заложен в устройство водородной бомбы, производство которой произошло еще 60 лет назад.
Реакции во вселенной
Термоядерная реакция происходит внутри раскаленных звезд. Таким космическим телом является Солнце. Проходящий тут синтез является основным источником энергии планеты. В космических телах термоядерные реакции происходят непрерывно.
Происходит это за счет поддержания тут постоянно высокой температуры. Например, на Солнце, происходит регулярное слияние 4 протонов водорода, из которых формируется ядро гелия. Затем полученная энергия распространяется во всех направлениях. Ее в каждую секунду выделяется такое количество, что человечеству хватило бы на 1 миллион лет существования.
Термоядерная реакция — это процесс, какой стал определяющим для формирования окружающего нас космического пространства. Только благодаря ему, вселенная приобрела такой вид, который имеет в настоящее время.
Конструкционные разработки
В настоящее время ведутся разработки конструкций реакторов, с целью использования термоядерной энергии в мирных целях. Она должна образовываться в устройствах по тому же типу, как и в космическом пространстве. Сложность заключается в том, чтобы сделать агрегат управляемый. Классическим примером неуправляемой установки является водородная бомба. Однако такое устройство является разовым.
Основная задача состоит в изготовлении такой конструкции, где бы содержащееся в нем под большой температурой вещество ни соприкасалось со стенками агрегата. Такая материя носит называние плазма, представляющая собой ионизированный газ.
В качестве защитной преграды используется магнитное поле. Плазма чувствительна к нему, поэтому может удерживаться на расстоянии от стенок конструкции.
Несмотря на теоретическое решение проблемы, в реальности разработки агрегатов продолжаются уже длительное время.
Установка «Токамак»
Принцип магнитного удержания плазмы был предложен еще в 1950 году советскими учеными. Через 8 лет произошло создание установки «Токамак Т1». Основным узлом в ней являлась тороидальная камера, где были установлены магнитные катушки.
В агрегате создавалось специальное магнитное поле, с помощью двух видов токов:
- Тороидального.
- Полоидального. Это поле формировалось в плазменном шнуре.
Несмотря на то что таких конструкций было выпущено до 300 штук, они не были идеальными.
Причина заключалась в том, что временами не выдерживала высоких температур первая стена агрегата. Даже применение тугоплавкого металла вольфрам не давало требуемых результатов.
Концепция столлатора
Новые модели, получившие название столлаторы, созданы по другому принципу. Здесь магнитные катушки установлены снаружи тороидальной камеры. Это позволяет агрегат использовать в непрерывном режиме, а не импульсном, как работал прежний прибор «Токамак Т1». К недостатку конструкции относится ее большая сложность, поскольку узлы были разработаны с применением компьютерной графики.
В настоящее время такие изделия почти не используются из-за сложности их изготовления, хотя перспективы работы у такой модели большие.
Реактор ИТЭР
В международном мегапроекте по созданию реактора принимают участие 35 государств. Это настолько масштабное и дорогостоящее мероприятие, что одной стране выполнить его не под силу. Строительство было начато в 2007 году на юге Франции. В соответствии с расчетами весить конструкция будет 23000 тонны. При этом ее диаметр составит 20 метров.
В качестве базой модели был использован Токамак. Однако по количеству произведенной плазмы ИТЭР превзойдет своего предшественника в 10 раз. При этом температура внутри агрегата будет составлять 150 миллионов градусов.
Для изготовления такого устройства задействованы все современные технологи. Это связано с тем, что необходимое магнитное поле будет превышать земное в 200 раз.
Когда термоядерные реакторы будут доведены до возможности их эксплуатации, человечество ждет появление практически неисчерпаемого источника энергии. Во время презентации своих работ ученые наглядно демонстрируют преимущества открытия нового вида чистой энергии.
Как только такой процесс станет управляемый, сразу же отпадет необходимость в атомных электростанциях, работающих на уране 235, которого в природе немного. Также не потребуются места для захоронения ядерных отходов.
