Зажечь солнце

К середине столетия термоядерный синтез станет основным - экологически чистым и неиссякаемым - источником энергии для человечества

На сегодняшний день в 56 странах мира насчитывается в общей сложности свыше 850 коммерческих, исследовательских и корабельных ядерных реакторов, которые производят ежегодно около 10 тысяч тонн высокотоксичных радиоактивных отходов. Несмотря на все предпринимаемые меры предосторожности, потребуются десятки и сотни тысяч лет, прежде чем представляемая ими опасность снизится до приемлемого уровня. 
Кроме того, значительное количество низко- и среднеактивных отходов (одежда, инструменты, оборудование и др.), образующихся в процессе эксплуатации АЭС, также требует соответствующей дорогостоящей утилизации. Все это плюс угрозы экологических катастроф вследствие аварий и террористических актов, по мнению защитников окружающей среды, являются вескими основаниями для отказа от планов дальнейшего наращивания коммерческой атомной энергетики. 
В кратко- и среднесрочной перспективе, считают они, возобновляемые источники энергии (ветряные фермы, приливные, солнечные и гидротермальные электростанции, биогаз и биодизель и т.д.) вместе с традиционными технологиями вполне способны обеспечить человечество необходимыми энергоресурсами. В более же отдаленном будущем (30-50 лет) управляемый термоядерный синтез должен стать основным экологически чистым и практически безграничным способом получения энергии для населения Земли. Что такое термоядерный синтез? Читайте.

Расщеплять или собирать?
В основе работы существующих атомных реакторов лежит принцип деления (расщепления) ядер тяжелых элементов (урана, тория или плутония) на более легкие (радиоактивный стронций, йод, технеций и др.), что сопровождается выделением значительного количества энергии в виде рентгеновских лучей и тепла. Последнее, подобно тому, как это происходит на обычных электростанциях, идет на разогрев воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращает турбины электрогенераторов. 
Опасности, связанные с утилизацией образующихся радиоактивных отходов и последствиями возможных техногенных катастроф, являются главными аргументами противников ядерной энергетики. Вместе с тем, промышленные установки управляемого термоядерного синтеза (если те наконец-то появятся) будут практически полностью лишены подобных недостатков.
Вместо того чтобы расщеплять уран на более легкие элементы, как это происходит на АЭС сейчас, в термоядерных реакторах будет осуществляться синтез (сборка) ядер инертного газа гелия из ядер водорода - самого распространенного во Вселенной вещества. Подобные реакции происходят ежесекундно в недрах большинства звезд, включая наше Солнце, но добиться того же на Земле - задача куда более сложная.

Термоядерное Солнце
Состоящее на три четверти из водорода и на одну четверть из гелия Солнце является, по сути, огромным (в 330 тыс. раз массивнее Земли) раскаленным газовым шаром, чей свет поддерживает жизнь на нашей планете. Между тем все те процессы термоядерного синтеза, энергия которых как раз и обогревает Землю, проистекают в небольшой, радиусом 150-175 тыс. км (около четверти от радиуса Солнца), центральной части, называемой ядром.
Только здесь достигаются значения температуры (15 млн. градусов Цельсия) и давления (250 млрд. атмосфер), достаточные для того, чтобы, преодолев взаимное отталкивание положительно заряженных ядер водорода, «смять» их вместе в ядро гелия. Каждую секунду такой участи подвергается порядка 600 млн. тонн водорода, в результате чего образуется гелий и высвобождается энергия в форме излучения различных видов (рентгеновские лучи, видимый свет, радиоволны и т.д.).

Водородная бомба 
Воспроизвести на Земле условия, существующие в недрах Солнца, задача сложная, но не невозможная. Впервые это было сделано свыше полувека (1952) назад при испытаниях Соединенными Штатами водородной (термоядерной) бомбы. 
В устройствах данного типа первоначально происходит подрыв «обычного» ядерного заряда малой мощности, после чего возникающие в результате громадные температура и давление инициируют процесс термоядерного синтеза гелия из водородного топлива, содержащегося в бомбе.

Мирный атом
Приблизительно в то же время ученые в разных странах стали работать над проблемой создания установок контролируемого термоядерного синтеза. Основная проблема заключается в том, что на данный момент не существует возможности воспроизвести на Земле давление в 250 млрд. атмосфер, наблюдаемое в солнечном ядре. По этой причине необходимо поднять температуру до 100-120 млн. градусов Цельсия (а не до 15 млн., как в лабораторных условиях), чтобы осуществить управляемый термоядерный синтез. Добиться этого ученые пытаются либо с помощью высокотемпературной плазмы (раскаленного газа), заключенной в магнитные поля, либо посредством кратковременного воздействия сотен сверхмощных лазеров.

В магнитной ловушке
Любое вещество, разогретое до достаточно высокой температуры, переходит в состояние плазмы, которую затем возможно удерживать в пространстве с помощью магнитных полей. Для международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, строительство которого началось в 2007 году на юге Франции, была выбрана  схема, разработанная советскими учеными еще в 1950-х годах (знаменитые токамаки - установки для магнитного удержания плазмы Курчатовского института атомной энергии). 
Предполагается, что в 2019 году огромный, высотой с 10-этажный дом, реактор ИТЭР будет запущен, создав в своих недрах 840 м3 плазмы, разогретой до 150 млн. °С.
Если все пойдет как запланировано, то уже к 2026 году ученые смогут осуществить первый управляемый термоядерный синтез, в результате которого каждые 50 МВт энергии, затраченные на эксплуатацию реактора, дадут на выходе 500 МВт энергии, образовавшейся в результате реакции превращения водорода в гелий.
Примечательно, что страны-участницы (США, ЕС, Китай, Россия, Япония и др) не собираются останавливаться на достигнутом и, в случае успеха проекта, планируют построить к 2033 году прототип коммерческого термоядерного реактора (проект ДЕМО). Мощность последнего должна составить от 2 до 4 ГВт, что сравнимо с показателями современных электростанций, однако при этом не будет ни парниковых газов, ни радиоактивных отходов.

Взрыв в капсуле
Идея использовать лазерное излучение, чтобы «разогревать» водородное топливо до нужных температур и инициировать таким образом процесс термоядерного синтеза, была предложена еще в начале 1970-х годов. Однако лишь с появлением более совершенных лазерных установок ее практическое воплощение стало реальностью. 
В 2009 году при Ливерморской национальной лаборатории, одним из ведущих институтов ядерной физики США, завершилось строительство Национального комплекса лазерных термоядерных реакций. 
В здании площадью в три футбольных поля разместилось 192 ультрафиолетовых лазера, чья пиковая суммарная мощность составляет около 500 триллионов ватт, что в 500 раз больше, чем производит вся страна в любой момент времени.
В эксперименте, запланированном учеными на конец этого года, предполагается на одну двадцатимиллиардную долю секунды сосредоточить всю эту мощь в крошечной, диаметром 2 мм, капсуле, содержащей 0,15 миллиграмма смеси изотопов водорода. Возникающих при этом, согласно расчетам, 100 млн. градусов и 100 млрд. атмосфер должно хватить на то, чтобы зажечь на миг миниатюрное солнце и произвести в 10 раз больше энергии, чем было израсходовано на его создание.
Исследователи надеются, что уже к середине 2020 годов у них будет достаточно опыта и знаний, необходимых для разработки коммерческих установок подобного типа. В таких реакторах поджиг капсул с водородным сырьем будет осуществляться последовательно в специальной камере, чтобы обеспечить непрерывное выделение тепла. Используя последнеее для превращения воды в пар, станет возможным генерировать электроэнергию, не беспокоясь о загрязнении окружающей среды или истощении запасов ископаемого топлива.

Александр ЛЕОНТЬЕВ