Термоядерный синтез. В чём проблема и почему до сих пор не работает?
22 января 2020 г., Игорь Край
Управляемый термоядерный синтез – один из немногих случаев, когда целенаправленные, титанические усилия не увенчались успехом в намеченные сроки, и даже неоднократный перенос сроков делу не помог.
В пятидесятых годах прошлого века проблема управляемого термоядерного синтеза представлялась сложной, но разрешимой. В шестидесятых появилась термоядерная бомба, что вроде бы свидетельствовало… И ни в семидесятые, ни в восьмидесятые учёные не сомневались, – промышленный синтез осуществим даже с использованием уже наличествующих технологий. Надо лишь понять, как их правильно применить.
В девяностых годах оптимизм, однако, увял. Настолько, что появились фрики с идеей «холодного синтеза». В момент, когда накопление научных знаний даёт возможность осознать истинны масштабы проблемы, люди таковых знаний не имеющие получают моральное преимущество.
А в чём проблема? В том, что одноимённые заряды отталкиваются, ядра сливаться не хотят, а значит, реакции синтеза отличаются высоким порогам? Да ни разу не в этом. Ускоритель позволяет так шмякнуть одном протоном о другой, что только кварк-гюонная плазма по стенам. Первая проблема в том, - она одинакова и у реального «горячего» синтеза, и у воображаемого «холодного», - что при слиянии двух протонов рождается дейтрон – состоящее из протона и нейтрона ядро тяжёлого водорода. Плюс позитрон и нейтрино. Причём, львиную долю энергии уносит нейтрино, – проходящее сквозь нашу планету, как свет сквозь стекло, и как следствие, малопригодное, для того чтобы кипятить на нём воду.
Таким образом, хотя водорода во Вселенной, действительно, много, пользы для народного хозяйства от этого никакой. В недрах Солнца протон-протонный синтез представляет собой лишь первый шаг водород-гелиевого цикла. Ведь, четыре ядра водорода сливаются в ядро гелия не разом, а в три приёма. Но для завершения цикла важно, чтобы промежуточные продукты синтеза – дейтерий и гелий-3 – не покидали зону реакции, и энергия, выделившаяся на предыдущем этапе, упрощала преодоление потенциального барьера реакции на следующем. Звёзды вполне способны это обеспечить. Водород в их ядрах находится в сверхтвёрдой и сверхплотной – «металлической» – форме. Рождающимся ядрам дейтерия и гелия-3 просто некуда деться от своей судьбы.
Но, допустим, мы сразу берём два ядра дейтерия, либо даже дейтерий и тритий. Продуктом слияния будет гелий-3 в первом случае и обычное ядро гелия во втором. Плюс нейтрон, который унесёт 80% выделившейся энергии. И если б только унёс! Беда в том, что при равной примерно народнохозяйственной ценностью с нейтрино, нейтрон ещё и на редкость зловреден. С электронными оболочками атомов нейтроны не взаимодействуют, что позволяет им преодолевать десятки метров бетона и свинца. Попадая же в атомное ядро, нейтрон или разрушает его, или поглощается им, образуя радиоактивный изотоп. В лучшем случае, после множества рикошетов нейтрон просто распадается, превращаясь в атом водорода. Образующиеся в материале пузырьки газа приводят к зримому раздутию, потере прочности, деформации и разрушению стальной детали. Персонал электростанции сможет укрыться от нейтронного излучения за блоками полиэтилена или бассейнами с водой, но защитить сам реактор от нейтронов не получится. Здравый смысл подсказывает, что энергетическая установка, расходующая 80% выделяющейся энергии на саморазрушение, прослужит недолго.
На последнем, третьем этапе водород-гелиевого цикла, впрочем, сливаются два ядра гелия-3 и каких-либо проблем с нейтронами не возникает. Продуктом реакции являются альфа-частица - ядро гелия-4 - и два протона. Казалось бы, вот!.. Тем более, что гелий-3 стабилен и встречается в природе… Но ближайшее место, где его можно добыть, это Луна. Ещё в 80-х годах прошлого века было подсчитано, что доставка гелия с Луны на Землю экономически оправдана. Для покрытия годичных потребностей человечества в энергии потребуется привезти всего 100 тонн этого газа. Другой вопрос, что добыча такого количества гелия-3 предполагает переработку миллиардов тонн реголита… Так что, пока, выгоднее всего производить гелий-3 искусственно. Из трития. А радиоактивный, имеющий период полураспада всего 12 лет тритий может быть получен только в ядерных реакторах по цене 30 миллионов долларов за килограмм. Так что, даже в случае удорожания «чёрного золота» до 1600 долларов за баррель, дейтерий-тритиевая энергетика не станет оправданной экономически. Ведь, для получения трития всё равно требуются ядерные реакторы, потребляющие уран, а значит, и электричество всегда будет дешевле вырабатывать на АЭС.
По разным причинам изотопы первых двух химических элементов оказываются бесполезными для энергетики будущего в любых комбинациях. Как и в случае создания водородной бомбы, исследователи убедились, что только на третий элемент периодической таблицы – литий – можно положиться. Он безопасен, не производит нейтроны при синтезе, и в отличие от реакторных изотопов водорода и гелия, ничего не стоит. Но порог реакции с участие лития слишком высок.
Создание энергетической установки работающей на литии возможно, тем не менее, уже в обозримой перспективе. Но тут уж полный рост встаёт вторая проблема термоядерного синтеза. Идей по поводу того, каким образом преобразовывать выделяющуюся в активной зоне энергию в электричество, в настоящий момент нет. Совсем нет. Выпущенные на волю силы микромира порождают слишком «жесткое» для использования в мирных целях излучение. Энергия выделяющаяся в термоядерных реакиця слишком велика, а значит, слишком велика будет скорость рождающихся в этих реакциях альфа-частиц.
Если, как это происходит в уже существующих электростанциях, химическое или ядерное пламя нагревает стенки котла с водой, давление пара будет вращать лопасти турбины. Но рождённое в активной зоне ядро гелия не отскочит от стенки, передав её молекулам свой импульс, чтобы те смогли распределить его и перенести молекулам воды. Оно вонзится в преграду, обратив вещество в пар и образовав кратер. Любое вещество. Законы нашей вселенной не предполагают существование материалов, которые оказались бы не по зубам релятивистским альфа-частицам.
https://zen.yandex.ru/media/id/5dcfb8b4452197271c9be3ae/termoiadernyi-sintez-v-chem-problema-i-pochemu-do-sih-por-ne-rabotaet-5e2891ac8f011100c0c03aac.
ИМХО. Отбор энергии из активной зоны термоядерного реактора действительно проблема: http://www.termoyadu.net/index.php?topic=6.msg6#msg6. Хотя апологетам термоядерного синтеза всё нипочём!: "Самовар, он и в Африке, самовар": http://www.termoyadu.net/index.php?topic=6.msg52#msg52. Впрочем, главная задача всех термоядерщиков построить (собрать!) ИТЭР, а там хоть "трава не расти"!: http://www.termoyadu.net/index.php?topic=7.msg3438#msg3438.
Для справки...
- Цена нефти продолжает держаться на уровне 20 долларов за баррель
https://lenta.ru/news/2020/04/27/brentwti/.
-- При таких ценах термоядерная энергетика бессмысленна
http://www.termoyadu.net/index.php?topic=6.msg2768#msg2768.
- Мировая нефть продолжила падение
https://lenta.ru/news/2020/04/28/oil/.
