Термоядерный синтез: как получить энергию звёзд на Земле

• 17,6 МэВвыделяет реакция дейтерия с тритием
• 100–150 млн °Cнужная температура плазмы
• 1958запущен первый токамак Т-1
• 500 МВттермоядерная мощность — цель ИТЭР

Синтез и деление: два пути к энергии ядра

Прочность атомного ядра измеряют энергией связи в расчёте на один нуклон — протон или нейтрон. Она максимальна, около 8,8 МэВ, у ядер в районе железа и никеля и падает в обе стороны: к тяжёлым ядрам вроде урана и особенно к самым лёгким. Поэтому энергию ядра можно освободить двумя противоположными способами.

Тяжёлое ядро можно расколоть на два средних — это деление, на котором работают атомные станции; о нём рассказано в статье «Деление ядра и цепная реакция». А два лёгких ядра можно слить в одно, более прочное, — это термоядерный синтез. Термоядерным его называют потому, что сблизить ядра удаётся только при огромной температуре, за счёт теплового движения частиц.

У лёгких ядер выигрыш особенно велик. Энергия связи дейтерия — около 2,2 МэВ, трития — около 8,5 МэВ, гелия-4 — 28,3 МэВ. Когда дейтерий и тритий сливаются в гелий, разница, около 17,6 МэВ, выделяется как энергия продуктов реакции: примерно 3,5 МэВ на нуклон против менее 1 МэВ при делении урана-235. Грамм дейтериево-тритиевой смеси дал бы около 94 МВт·ч тепла — вчетверо больше, чем грамм урана-235.

Энергия связи лёгких ядер: дейтерий, тритий и гелий-4

• ≈ 2,2 МэВдейтерий
• ≈ 8,5 МэВтритий
• 28,3 МэВгелий-4

Когда дейтерий и тритий сливаются в гелий, разница — около 17,6 МэВ — выделяется как энергия продуктов реакции.

В термоядерном оружии синтез идёт за мгновения, а энергетике нужен управляемый термоядерный синтез, который можно долго поддерживать и в любой момент остановить.

Энергия звёзд

Синтез питает Солнце. В его центре при температуре около 15 млн градусов четыре протона через цепочку реакций превращаются в ядро гелия-4. Каждую секунду так перерабатывается около 600 млн тонн водорода, а около 4 млн тонн массы уходит в излучение.

Первая ступень этой цепочки — слияние двух протонов — идёт через слабое взаимодействие и потому крайне медленно: отдельный протон ждёт её в среднем миллиарды лет. Солнце берёт гигантскими размерами, а горячее вещество удерживает его собственная гравитация. На Земле нужна реакция побыстрее и температура почти в десять раз выше солнечной.

Реакция дейтерия и трития

Для земного реактора выбирают самую «сговорчивую» пару — дейтерий и тритий, тяжёлые изотопы водорода с одним и двумя нейтронами в ядре. Их реакция идёт при самой низкой температуре и с наибольшей вероятностью:

D + T → ⁴He (3,5 МэВ) + n (14,1 МэВ)

Энергия делится между продуктами обратно пропорционально массам: нейтрон вчетверо легче альфа-частицы — ядра гелия-4 — и потому уносит четыре пятых энергии.

Дальше их судьбы расходятся. Заряженную альфа-частицу удерживает магнитное поле, и, тормозясь в горячем топливе, она подогревает его. Если такого самонагрева хватает без внешних источников, говорят о зажигании. Нейтрон свободно покидает зону реакции и тормозится в толстом слое вокруг неё — бланкете, где его энергия становится теплом для турбины. Нейтроны синтеза в семь раз энергичнее типичных нейтронов деления, и для конструкций это серьёзное испытание.

Сто миллионов градусов: плазма и критерий Лоусона

Главное препятствие — электрическое отталкивание. Ядерные силы действуют лишь на расстояниях порядка 10⁻¹⁵ м, и, чтобы сблизиться, положительно заряженным ядрам нужно преодолеть кулоновский барьер высотой в сотни килоэлектронвольт. При 100–150 млн °C типичная энергия теплового движения — порядка 10 кэВ, в десятки раз меньше. Реакция всё же идёт: в горячем веществе всегда есть частицы намного быстрее средних, а квантовая механика позволяет ядрам «просочиться» сквозь барьер — это туннельный эффект.

При таких температурах вещество превращается в плазму: электроны оторваны от ядер, газ состоит из заряженных частиц, проводит ток и подчиняется магнитному полю. Прямого контакта с ней не выдерживает ни один материал, а коснувшись стенки, плазма остывает и гаснет.

Нагреть мало — реакции должны окупать потери энергии на излучение и уход частиц. Условие для этого в середине 1950-х годов сформулировал британский физик Джон Лоусон, и теперь его называют критерием Лоусона. Одновременно нужны высокая температура, достаточная плотность плазмы и достаточно долгое время удержания энергии — время, за которое плазма остыла бы без нагрева. Обычно требуют, чтобы «тройное произведение» этих величин превысило порог; для смеси дейтерия с тритием он близок к минимальному как раз при 100–150 млн градусов.

Плотность и время удержания могут подменять друг друга, и отсюда два подхода:

• Магнитное удержание. Плазму, в сотни тысяч раз более разреженную, чем воздух, держат магнитным полем секунды и дольше. Так работают токамаки и стеллараторы.
• Инерциальное удержание. Крошечную порцию топлива за несколько миллиардных долей секунды сжимают до плотности, намного большей, чем у свинца, и нагревают. Реакция проходит раньше, чем вещество разлетится: его держит собственная инерция.

Токамак: советское изобретение

Идею «магнитной термоизоляции» плазмы в 1950–1951 годах выдвинули Андрей Сахаров и Игорь Тамм. Заряженные частицы свободно движутся вдоль силовых линий магнитного поля, а поперёк — нет: они навиваются на линии, словно по спирали. Если свернуть линии в кольцо, плазме некуда утечь — у замкнутых линий нет концов.

В 1958 году в Институте атомной энергии, ныне Курчатовском институте, запустили первый токамак — Т-1; название расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Исследования управляемого синтеза в институте возглавлял Лев Арцимович. В 1968 году на токамаке Т-3 получили плазму с температурой электронов порядка 10 млн градусов, удерживавшую энергию намного дольше, чем ожидали. За рубежом этому поверили не сразу, и в 1969 году британские физики привезли в Москву свою лазерную аппаратуру — измерения подтвердились. Вскоре токамаки начали строить в США, Европе и Японии. О первых шагах отрасли — в статье «История атомной отрасли».

Как устроен токамак

Основа токамака — вакуумная камера в форме тора, похожего на бублик. Её охватывают катушки тороидального поля: их поле направлено вдоль тора, по кругу.

В отверстии «бублика» стоит центральный соленоид — первичная обмотка трансформатора, вторичной обмоткой которого служит сама плазма. Когда ток в соленоиде меняют, в плазме наводится ток силой до миллионов ампер. Он греет плазму и создаёт собственное поле, которое вместе с полем катушек закручивает силовые линии в винтовые спирали. Это принципиально: в чисто тороидальном поле, которое ближе к оси тора сильнее, заряды разного знака расходятся, и плазму выносит на стенку, а винтовая закрутка этот дрейф компенсирует. Внешние кольцевые катушки полоидального поля задают форму и положение плазменного шнура.

Горячая плазма проводит ток всё лучше, и нагрев током слабеет, поэтому её догревают пучками быстрых нейтральных атомов и электромагнитными волнами мощностью в мегаватты. Внизу камеры обычно стоит дивертор: туда магнитное поле отводит периферийную плазму с гелиевой «золой» и примесями. А поскольку ток в плазме держится, лишь пока меняется ток в соленоиде, без дополнительных систем токамак работает импульсами.

Стелларатор

Закрутить силовые линии можно и без тока в плазме — сложной формой самих катушек. Такую установку, стелларатор, в 1951 году предложил американский астрофизик Лайман Спитцер. Стелларатор может работать непрерывно, но его изогнутые трёхмерные катушки трудно рассчитать и изготовить; один из самых известных — Wendelstein 7-X в Германии, действующий с 2015 года.

Слева — разрез токамака: плазма в тороидальной камере удерживается магнитным полем катушек, ток в плазме наводит центральный соленоид. Справа — главная реакция будущих термоядерных станций: дейтерий и тритий сливаются в гелий-4, вылетает быстрый нейтрон, выделяется около 17,6 МэВ.

ИТЭР и лазерный синтез

Крупнейший термоядерный проект — ИТЭР, международный экспериментальный термоядерный реактор; по-латыни iter — «путь». Идея совместной установки прозвучала на советско-американской встрече в Женеве в 1985 году, соглашение о строительстве подписано в 2006 году. Реактор сооружают на юге Франции, в Кадараше, семь участников — Евросоюз, Индия, Китай, Республика Корея, Россия, США и Япония, — причём вклад вносят в основном оборудованием. Российская часть включает, в частности, сверхпроводники для магнитов и гиротроны — мощные источники микроволн для нагрева плазмы.

ИТЭР — токамак с большим радиусом тора около 6,2 м и током в плазме до 15 млн ампер. Его цель — около 500 МВт термоядерной мощности при 50 МВт нагрева плазмы, то есть в 10 раз больше. Электричество ИТЭР вырабатывать не будет: его задача — получить «горящую» плазму, которую в основном греют собственные альфа-частицы, и испытать технологии для будущих электростанций.

Лазерный синтез

В инерциальном подходе замороженную смесь дейтерия и трития заключают в капсулу диаметром около 2 мм и облучают мощными лазерными импульсами — напрямую или через крошечный металлический цилиндр, стенки которого превращают свет в рентгеновское излучение. Наружный слой капсулы испаряется и разлетается, а остальное, как при реактивной отдаче, сжимается к центру, где и вспыхивает реакция.

В декабре 2022 года на американской установке NIF энергия реакции впервые превысила энергию лазерного излучения, доставленного к мишени: 3,15 МДж против 2,05 МДж. Это физический, а не энергетический рубеж: лазеры потребили из сети порядка 300 МДж. Электростанции понадобятся гораздо более экономичные лазеры и дешёвые мишени, которые можно поджигать много раз в секунду.

NIF, декабрь 2022 года: энергия реакции и затраты на неё

• 3,15 МДжэнергия реакции
• 2,05 МДжлазерное излучение, доставленное к мишени
• ≈ 300 МДжлазеры потребили из сети

Реакция впервые дала больше энергии, чем лазеры доставили к мишени, — это физический, а не энергетический рубеж.

Топливо и безопасность

Дейтерий добывают из обычной воды: в природном водороде примерно один атом из 6400 — дейтерий, в литре воды его больше 30 мг, а разделять изотопы водорода промышленность умеет давно. Об изотопах водорода подробнее — в статье «Изотопы и радиоактивность».

С тритием сложнее: он радиоактивен, период полураспада около 12,3 года, и в природе его ничтожно мало. Сегодня его получают в ядерных реакторах, а термоядерной станции придётся нарабатывать тритий самой — в бланкете, из лития. Литий-6, поглотив нейтрон, распадается на тритий и гелий-4 с выделением 4,8 МэВ; литий-7 даёт тритий только под ударом быстрого нейтрона, который при этом сохраняется. Чтобы на каждое сгоревшее ядро трития рождалось хотя бы одно новое, в бланкет добавляют размножители нейтронов — бериллий или свинец.

Топливо синтеза: дейтерий и тритий

Цепной реакции в термоядерной установке нет. Горение держится только на горячей плазме, а при любом сбое она остывает, и реакция гаснет сама. Топлива в камере одновременно не больше нескольких граммов. Продукт реакции, гелий, не радиоактивен, осколков деления и актинидов не образуется.

Но радиоактивность есть и здесь. Тритий при высокой температуре проникает сквозь металлы и легко входит в состав воды, поэтому его строго учитывают и держат за несколькими барьерами. Нейтроны активируют стенки камеры, бланкет и дивертор, и обслуживать их приходится дистанционно. Чтобы наведённая активность спадала быстрее, разрабатывают малоактивируемые стали: никель, молибден и ниобий, дающие долгоживущие изотопы, в них заменяют вольфрамом, ванадием, танталом.

Что мешает построить термоядерную электростанцию

Физика синтеза в целом понятна, главные трудности — инженерные.

• Первая стенка. Обращённая к плазме поверхность принимает потоки тепла, частиц и нейтронов с энергией 14 МэВ. Нейтроны выбивают атомы из кристаллической решётки, а ядерные реакции нарабатывают в металле гелий и водород, от которых он распухает и охрупчивается: в энергетическом реакторе каждый атом стенки за годы работы будет выбит со своего места десятки раз. Как облучение меняет свойства сталей в реакторах деления, рассказано в статье «Материалы атомной отрасли».
• Дивертор. На его пластины приходятся тепловые потоки до 10–20 МВт на квадратный метр. Их облицовывают вольфрамом — металлом с самой высокой температурой плавления, около 3400 °C, — и интенсивно охлаждают водой.
• Магниты. Медные катушки потребляли бы огромную мощность, поэтому применяют сверхпроводники — сплав ниобия с титаном и соединение ниобия с оловом, охлаждённые жидким гелием почти до −269 °C.
• Тепло и тритий. Бланкет должен одновременно отбирать тепло и нарабатывать тритий, который нужно извлекать и возвращать в топливо.

Каждая из этих задач — отдельная область материаловедения и машиностроения, и от их решения зависит, станет ли синтез источником энергии так же, как в своё время деление ядер.

Термины

• Термоядерный синтезСлияние лёгких атомных ядер в более тяжёлые с выделением энергии; идёт при температурах в миллионы и сотни миллионов градусов.
• ПлазмаВещество, в котором электроны оторваны от ядер: газ из свободных заряженных частиц, проводящий ток и подчиняющийся магнитному полю.
• Критерий ЛоусонаУсловие, при котором термоядерные реакции восполняют потери энергии плазмы: достаточно высокие температура, плотность и время удержания энергии.
• ТокамакУстановка для магнитного удержания плазмы в тороидальной камере; поле создают внешние катушки и ток, наведённый в самой плазме.
• СтеллараторТороидальная установка, в которой винтовое магнитное поле создают только внешние катушки сложной формы, без тока в плазме.
• БланкетСлой вокруг плазмы, который поглощает нейтроны, превращает их энергию в тепло и нарабатывает тритий из лития.
• ДиверторУзел камеры токамака, куда отводят периферийную плазму, гелий и примеси и где снимается самый большой тепловой поток.
• Коэффициент усиления QОтношение термоядерной мощности к мощности, затраченной на нагрев плазмы.

Частые вопросы

Чем термоядерный синтез отличается от деления ядра?

При делении тяжёлое ядро, например урана-235, раскалывается на два средних, а при синтезе два лёгких ядра, например дейтерий и тритий, сливаются в более тяжёлое. В обоих случаях продукты связаны прочнее исходных ядер, и разница выделяется как энергия; на единицу массы топлива синтез даёт примерно вчетверо больше.

Зачем нагревать плазму до сотни миллионов градусов?

Ядра заряжены положительно и отталкиваются. Чтобы сблизиться на расстояние действия ядерных сил, им нужна большая скорость, то есть очень высокая температура: для смеси дейтерия и трития — порядка 100–150 млн °C.

Что такое токамак?

Это установка, в которой горячую плазму удерживает магнитное поле в тороидальной камере, похожей на бублик. Название расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками»; первый токамак Т-1 запустили в 1958 году в Институте атомной энергии, ныне Курчатовском институте.

Что такое ИТЭР?

Международный экспериментальный термоядерный реактор-токамак, который строят на юге Франции семь участников, в том числе Россия. Его цель — получить около 500 МВт термоядерной мощности при 50 МВт нагрева плазмы, то есть в 10 раз больше.

Опасен ли термоядерный реактор?

Цепной реакции в нём нет: при любом сбое плазма остывает, и реакция гаснет сама, а топлива в камере одновременно не больше нескольких граммов. Радиационные вопросы всё же есть: тритий радиоактивен, а конструкции под действием нейтронов становятся радиоактивными.