E=mc²

Юрий Свидиненко

Хакер, номер #101, стр. 046

(metamorph@yandex.ru)

Немного о физике высоких энергий

Как-то руководителя английской термоядерной программы и лауреата Нобелевской премии Джона Кокрофта спросили, когда термоядерный реактор даст промышленный ток. Кокрофт ответил: «Через 20 лет». Этот же вопрос ему задали через 7 лет. Ответ был прежним: «Через 20 лет». Журналисты не преминули напомнить Кокрофту его слова семилетней давности, но невозмутимый англичанин отрезал: «Вы видите, я не меняю своей точки зрения».

Шутки шутками, а промышленного термояда до сих пор нет. Основные принципы управляемой термоядерной реакции были изложены еще в начале прошлого века, однако его создание - все еще дело будущего. Но уже близкого. Скажем, не через 20 лет, а через 10. Но почему этот «философский камень» современных алхимиков никак не появится в мировой энергетике, притом что известно, как его соорудить?

На этот вопрос довольно просто ответить, но ответ этот не внесет ясности. Почему? Постараюсь объяснить в этой статье.

Мирный атом

С момента открытия радиоактивности, представляющей собой распад радиоактивных элементов, стало модно исследовать физику ядер вообще. Оказалось (да и ты, наверное, это знаешь), что каждое ядро весит меньше, чем сумма масс его протонов и нейтронов. Как это ни парадоксально звучит.

Загадка дефекта масс была проста: при объединении протонов и нейтронов в ядро выделяется много энергии. Вот откуда недостача массы – она преобразуется в энергию ядра согласно эйнштейновскому «E=mc²».

Как позже подсчитали, убыль массы ядер на 1 грамм эквивалентна такому количеству тепловой энергии, какое получилось бы при сжигании 300 вагонов каменного угля, а это очень и очень много. После этого открытия сразу же встал вопрос о двух вещах: ядерной бомбе и ядерной энергетике.

Но для того чтобы «взломать» ядро атома и вытащить оттуда энергию, нужен был какой-то метод. Придумать его, надо сказать, в то время было нелегко, но стимул был велик – войны, гонка вооружений, перспективы «оружия возмездия» и просто научный интерес.

Ученые решили действовать косвенно – ломать ядро самими же ядерными частицами. В качестве фомки №1 был выбран нейтрон. Эта частица электрически нейтральна, на нее не действуют электрические силы отталкивания, поэтому нейтрон легко может проникнуть в атомное ядро и взломать его. Начались эксперименты - нейтронами бомбардировали ядра атомов отдельных элементов.

Когда очередь дошла до урана, обнаружилось, что этот тяжелый элемент ведет себя иначе, чем другие. Кстати, следует напомнить, что встречающийся в природе уран содержит три изотопа: уран-238 (238U), уран-235 (235U) и уран-234 (234U), причем цифра означает массовое число. Атомное ядро урана-235 оказалось значительно менее устойчивым, чем ядра других элементов и изотопов. Под действием всего одного нейтрона ядро урана раскалывается на два приблизительно одинаковых осколка, например на ядра криптона и бария. Эти осколки с огромными скоростями разлетаются в разных направлениях.

Но главное в этом процессе, что при распаде одного ядра урана возникают 2-3 новых свободных нейтрона и много энергии, которую, по задаче, нужно получить в свободной (ядерная бомба) или несвободной (ядерная электростанция) форме.

Причина дополнительного выделения нейтронов заключается в том, что тяжелое ядро урана содержит больше нейтронов, чем их требуется для образования двух меньших атомных ядер. «Строительного материала» слишком много, и атомное ядро должно от него избавиться.

Так, при бомбардировке урана-235 нейтронами происходит такая известная тебе вещь, как цепная ядерная реакция. Вместо одного нейтрона при поломке ядра получаются 2-3, расщепляющие следующие 2-3 ядра урана-235. И так продолжается до тех пор, пока все ядра не будут расщеплены.

Если этим процессом не управлять, то выделится куча энергии и будет ядерный взрыв. Но научившись регулировать этот процесс, можно получать эту кучу энергии постепенно в строго определенных порциях, а не разом. Но для этого нужно заставить делиться ядра урана-235 с той скоростью, которая нам нужна. Для этого и был придуман ядерный реактор - устройство, в котором протекает управляемая цепная реакция. При этом регулируемым источником и энергии, и нейтронов служит сам распад атомных ядер.

Первый проект ядерного реактора разработал в 1939 году французский ученый Фредерик Жолио-Кюри. Но вскоре Францию оккупировали фашисты, и проект не был реализован.

Цепная реакция деления урана впервые была осуществлена в 1942 году в США, в реакторе, который группа исследователей во главе с итальянским ученым Энрико Ферми построила в помещении стадиона Чикагского университета. Этот реактор имел размеры 6х6х6,7 м, мощность 20 кВт и работал без внешнего охлаждения.

Первый ядерный реактор в СССР (и в Европе) был построен под руководством академика И.В. Курчатова и запущен в 1946 году. После этого атомная энергетика развивалась невиданными темпами. За 30 лет общая мощность ядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт!

Энергетический ядерный реактор устроен довольно просто – в нем, так же как и в обычном котле, вода превращается в пар. Для этого используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции распада атомов урана или другого ядерного топлива. На атомной электростанции нет громадного парового котла, состоящего из тысяч километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в пар. Эту махину заменил относительно небольшой ядерный реактор.

Атомные реакторы на тепловых нейтронах различаются главным образом по двум признакам: какие вещества используются в качестве замедлителя нейтронов и какие - в качестве теплоносителя, с помощью которого производится отвод тепла из активной зоны реактора. Наибольшее распространение в настоящее время имеют: водо-водяные реакторы, в которых обычная вода служит и замедлителем нейтронов, и теплоносителем; уран-графитовые реакторы (замедлитель – графит, теплоноситель – обычная вода); газо-графитовые реакторы (замедлитель – графит, теплоноситель – газ, часто углекислота); тяжеловодные реакторы (замедлитель – тяжелая вода, теплоноситель – либо тяжелая, либо обычная вода).

Сегодня будущее ядерной энергетики видят за третьим типом реакторов – за реакторами на быстрых нейтронах. Их называют еще реакторами-размножителями. Обычные реакторы используют замедленные нейтроны, которые вызывают цепную реакцию в довольно редком изотопе – уране-235, которого в природном уране всего около одного процента. Именно поэтому приходится строить огромные заводы, на которых буквально просеивают атомы урана, выбирая из них атомы лишь одного сорта - урана-235. Остальной уран в обычных реакторах использоваться не может. Возникает вопрос: а хватит ли этого редкого изотопа урана на сколько-нибудь продолжительное время или же человечество столкнется с проблемой нехватки энергетических ресурсов?

Но здесь начинается совсем другая история, имеющая истоки в 40-50-х годах прошлого века и развивающаяся до наших дней.

Термояд: откуда он вылез

Насколько ты знаешь, что бомбы бывают ядерные и термоядерные. Так вот вторые гораздо более опасны, поскольку при взрыве выделяют намного больше энергии.

1 ноября 1952 года был произведен взрыв специального устройства типа водородной бомбы под кодовым названием «Майк», представлявшего собой более чем 50-тонный куб высотой с двухэтажный дом и длиной ребра 7,5 м. Мощность взрыва, в результате которого был уничтожен остров на атолле Эниветок в Тихом океане, в 1000 раз больше, чем у атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму.

Такое огромное количество энергии выделяется не от распада ядер, а, как ни удивительно, от их слияния и создания более «массивного» атома.

Вообще, самая распространенная во Вселенной реакция — это реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода. Она непрерывно протекает в недрах практически всех видимых звезд. В чистом виде она выглядит так: 4 ядра водорода (протона) образуют атом гелия (2 протона плюс 2 нейтрона) с выделением ряда других частиц. Как и в случае реакции распада атомного ядра, совокупная масса образовавшихся частиц оказывается меньше массы исходного продукта (водорода). Выделяющаяся в результате этого кинетическая энергия частиц-продуктов реакции и «разогревает» звезды.

Запасы дейтерия в Мировом океане практически неограниченны, и он может стать буквально неисчерпаемым источником энергии для человечества на многие века, но лишь при условии, что удастся заставить ядра дейтерия вступить между собой в реакцию синтеза.

Однако для того чтобы произошла реакция синтеза, ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания, а для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Следовательно, чем быстрее ты их столкнешь, тем вероятнее, что они встретятся и сольются. Разогнать что-либо в мире частиц просто - нужно это нагреть. Однако температура, требуемая для слияния ядер, непомерно огромна. Например, для реакции «дейтерий-тритий» потенциальный барьер (энергия, необходимая для преодоления электростатической силы отталкивания) равен 0,1 мегаэлектронвольт (МэВ), что примерно соответствует температуре 100000000 градусов Цельсия. Сказать, что эта температура большая – значит не сказать ничего.

Но для запуска термоядерной реакции мало просто нагреть необходимые компоненты, еще необходимо удержать их вместе, не дав разлететься из-за огромного давления и скорости теплового движения. При такой температуре любое вещество превращается в плазму – ионизированный газ, состоящий из атомных ядер и оторвавшихся от ядер электронов.

При 100 миллионах градусов, необходимых для начала реакции, как ты понимаешь, испарится любой материал. Поэтому плазму держат в вакууме внутри реактора с помощью магнитного поля очень высокой напряженности. Это поле не дает заряженным частицам вылетать за пределы «плазменного шнура», а образующиеся во время реакции синтеза нейтроны магнитным полем не задерживаются и передают свою энергию стенкам установки, которые охлаждаются, например, жидким литием.

Ну и, естественно, получающийся в парогенераторе пар можно направить на турбину, как в обычных электростанциях.

Исходное топливо, потребляемое термоядерным реактором (дейтерий и литий), как и конечный продукт реакций (гелий), не радиоактивны, поэтому термоядерные реакторы – одни из экологически чистых источников энергии. Специалисты утверждают, что термоядерная электростанция с тепловой мощностью 1 ГВт в плане радиационной опасности эквивалентна урановому реактору деления мощностью 1 кВт, а это типичный университетский исследовательский реактор.

Токамаки, ITER и лазеры

Сегодня инженеры-ядерщики пытаются добиться управляемого термоядерного синтеза двумя путями, используя два различных подхода к решению проблемы сжатия водорода, его разогрева до состояния плазмы и удержания в процессе реакции термоядерного синтеза. Эти подходы называются «магнитной ловушкой» и «инерциальной ловушкой».

При использовании магнитной ловушки плазма удерживается сверхмощным магнитным полем. Магнитные ловушки уже реализованы технически. Так что управляемый термоядерный синтез уже получен. Возникает вопрос, почему же тогда «даровую» энергию тяжелой воды не используют? Все просто – установка термоядерного синтеза, построенная в Калхэме (Великобритания) и называющаяся Joint European Torus, по причине технического несовершенства для функционирования потребляет энергии больше, чем вырабатывает. Получается что, вместо того чтобы зарабатывать на термояде, мы ему же и доплачиваем. О какой «даровой» и зеленой энергии тогда может идти речь?

Суть же инерциальной ловушки заключается в том, что капля сильно охлажденной тритиево-дейтериевый жидкости помещается в небольшую стеклянную капсулу, а затем со всех сторон обстреливается мощными лазерными лучами. Внешний слой капли моментально испаряется, в результате чего на внутренние слои капли воздействуют сходящиеся ударные волны. Эти ударные волны сжимают и разогревают водород до температуры запуска реакции термоядерного синтеза. Сегодня лазерная установка для возбуждения инерциальной реакции (NIF) термоядерного синтеза строится на базе Ливерморской лаборатории в Калифорнии. Ее запуск был проведен в 2006 году. Каплю водорода облучали 192 лазера с разовым энергетическим импульсом 1,8 мегаджоулей.

История повторилась – установка снова оказалась коммерчески невыгодной. Для ее полного завершения нужны средства, которые Сенат США пока так и не выделил – постройку обещают дофинансировать и закончить к 2009 году. Но именно NIF считают наиболее перспективной основой для промышленного термояда.

Перспектива получения «даровой» термоядерной энергии в промышленных масштабах сегодня (тем более завтра) становится более осязаемой, чем это было 30 и 50 лет назад.

С 1990 года было начато проектирование первого в мире промышленного термояда на основе системы «ТОКАМАК». Назвали многострадальное детище ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, ИТЭР). За период с 1992-го по 2001 год его конструкция была полностью разработана в электронном виде (за всю стадию проектирования на бумаге вручную не было начерчено ни одного чертежа), и в 2006 году был окончательно утвержден альянс стран, участвующих в его постройке. Это циклопическое и технологически емкое сооружение в одиночку не потянула бы ни одна страна. В итоге, после долговременных «перетасовок» стран-участников, в проекте остались: Евросоюз, Индия, Китай, Республика Корея, Россия, США и Япония.

Самой большой трудностью было определение места постройки реактора. Все страны тянули одеяло на себя. Это и не удивительно - наряду с дешевой энергией, у страны появилось бы первое подобное технологичное чудо, престиж страны, построенный, по сути дела, чужими руками.

В конце концов была выбрана Франция, в проекте не участвующая. Также было определено место его строительства — исследовательский центр «Кадараш» (Cadarache).

А 25 мая 2006 года в Брюсселе участниками консорциума подписано соглашение о начале строительства реактора в 2007 году. Строить ИТЭР будут аж до 2015 года. После этого он должен выйти на номинальную мощность и работать в течение 20 лет. Затем, чтобы Франции жизнь медом не казалась, реактор будет закрыт.

500-мегаваттный ИТЭР решили строить по проверенной советскими учеными схеме «ТОКАМАК». Два ядра - дейтерия и трития - сливаются с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

Общий радиус токамака составляет 10,7 м, высота реактора – 30 м. Максимальный радиус плазмы - 6,2 м. Рабочая температура все та же - 100 миллионов градусов Цельсия.

Я уже говорил, что ИТЭР – удовольствие дорогое. На сегодняшний день его стоимость оценивается в $12 миллиардов. Поэтому пока с повсеместным использованием термоядерных реакторов в нашей жизни придется повременить. Зато высокая стоимость полностью компенсируется дешевизной производимой электроэнергии. Ну и доступностью ресурсов – недостатка в обычной воде у нас пока нет, в отличие от нефти и газа.

А если по-другому?

Несмотря на то что физика термоядерных реакций хорошо изучена, исследователи все же умудряются находить что-то новое. Зачем тратить $12 миллиардов на сооружение ИТЭР, когда его основные функции можно повторить в стакане с водой? Фантастика? Не более пресловутого дефекта масс. Просто, как ты знаешь, любую проблему можно решить несколькими способами.

Один из способов предложили калифорнийские ученые. Им удалось уменьшить размер установки термоядерного синтеза до настольных размеров! И этот «малыш» действительно проводит реакции ядерного синтеза при комнатной температуре. В чем секрет? В использовании альтернативных подходов к проблеме создания высоких температур и давления.

Сам аппарат представляет собой вакуумную камеру, заполненную газообразным дейтерием при очень низком давлении — всего в 0,7 паскаля. С одной стороны камеры закреплен цилиндрический кристалл танталата лития (LiTaO) размером в считанные сантиметры. Этот материал является пироэлектриком – при нагреве на его поверхностях появляется электрический потенциал. В данном случае – целых 100 киловольт. Причем нужно подогреть кристалл всего до 25 градусов Цельсия.

На одной из сторон кристалла (с положительным потенциалом) закреплен очень острый вольфрамовый наконечник. Сильное поле на его конце ионизирует атомы дейтерия, которые попадают в непосредственную близость к игле. На большой скорости они бомбардируют мишень, богатую дейтерием (пластину из дейтерида эрбия (ErD3)), и при некоторых из таких столкновений между ядрами дейтерия происходит реакция синтеза. В установке образуются ядра гелия и нейтроны с энергией 2,5 мегаэлектронвольта.

Разумеется, пока ни о каком энергетическом реакторе тут речи и не идет, но авторы работы говорят, что такое устройство можно использовать как карманный и очень простой генератор нейтронного излучения, так как их установка выдает в 400 раз больше фона. Конечно, такой выход нейтронов намного ниже, чем у коммерчески доступных нейтронных генераторов. Но зато ни один из последних не обладает такими малыми размерами и не нагревается в процессе работы так слабо.

Круто, но это изобретение впечатляет меньше, чем открытый недавно пузырьковый синтез. Ты не поверишь, температура в центре схлопывающихся пузырьков газа внутри жидкости может доходить до 15 тысяч градусов Цельсия. При этом внутри них образуется плазма, и можно говорить о «термояде в стакане».

Явление сонолюминесценции было известно давно. Суть его в том, что при прохождении ультразвука через жидкость (при ряде условий) волны плотности вызывают быстрый рост и стремительное схлопывание маленьких пузырьков газа, растворенного в этой жидкости. По некоторым данным, стенки этих пузырьков устремляются навстречу друг другу со скоростью до 1 километров в секунду, а ударная волна разогревает газ внутри до состояния плазмы. То есть сверхбыстрое колебание давления в жидкости вызывает рост и схлопывание пузырьков. При этом их высокая температура способна отделять электроны от их «родных» атомов, а в итоге образовывается плазма.

Если же эксперимент проводить в «тяжелом ацетоне», то есть в ацетоне, в котором все атомы водорода заменены дейтерием, то при схлопывании пузырьков проходит ядерный синтез. В простой пробирке. На столе. Научное сообщество до сих пор ломает копья и в защиту этого факта, и опровергая его, пытаясь подвести одну теорию под другую. Но факт остается фактом – термоядерный синтез действительно проходит в пробирке с тяжелым ацетоном под воздействием ультразвука.

Неограниченные энергетические возможности, которые в недалеком будущем сулит этот метод, могут изменить многое в мировой экономике. И действительно, ведь это энергия почти просто так, из пробирки! Без необходимости строить токамаки и лазерные установки. Сегодня это звучит почти фантастично. Но трудно сказать, что будет завтра.

Заключение

Как ни крути, основные вехи термоядерной «эпопеи» еще впереди: промышленный реактор, а затем и производство электроэнергии из подручных средств – мусора, отходов (такая возможность есть, но опять-таки современные технологии пока не позволяют). А если сыграет «пузырьковый» козырь, то не за горами появление настольных автономных генераторов…

Некоторые мечтатели всерьез рассматривают возможность установки термоядерного привода на корабли и даже самолеты! Если это станет реальным, то когда-нибудь, чем черт не шутит, мы услышим о космических кораблях на термоядерной тяге.

Но пока практический термояд дальше от реализации, чем хотелось бы, хотя ключевые станции под названием «токамак» и «NIF» мы уже успешно проехали. Впереди - «ИТЭР» и «пузырьковый синтез». Будем надеяться, физики не подкачают!

Токамак — это один из вариантов устройства, способного формировать горячую плазму длительное время. В разогретой плазме начинается термоядерная реакция синтеза ядер гелия из исходного сырья — изотопов водорода (дейтерия и трития). И при этом в реакторе должно вырабатываться гораздо больше энергии, чем было затрачено на разогрев плазмы.

Токамак представляет собой, по сути, полый «бублик», на который намотан проводник, образующий магнитное поле. Основное магнитное поле в камере-ловушке, содержащей горячую плазму, создается тороидальными магнитными катушками. Существенную роль в удержании плазмы играет плазменный ток, который протекает вдоль кругового плазменного шнура и создает магнитное поле специальной конфигурации. Впервые схема магнитного термоядерного реактора была предложена в 1950 году Андреем Дмитриевичем Сахаровым и Игорем Евгеньевичем Таммом.

Оказывается, термоядерный реактор - настолько простая вещь, что его может собрать даже студент-первокурсник. Как, например, Крейг Уоллес из университета штата Айдахо.

Самое интересное, что Крейг сконструировал его по чертежам физика Франсуорта полувековой давности. На свалке в Айдахо Крейг нашел нейтронный детектор. Из нескольких сотен пустых болванок он собрал нейтронный модулятор (замедлитель). А на задворках фабрики Deseret Industries отыскался сломанный турбомолекулярный насос.

Поскольку финансовое состояние семьи Уоллесов не позволяло Крейгу купить дорогой чистый дейтерий, пришлось за $20 приобрести контейнер оксида дейтерия (также известного под названием «тяжелая вода») и найти способ, как избавиться от нежелательного кислорода — пропустить тяжелую воду через раскаленные магниевые опилки.

Два года ушло на поиск необходимых запчастей, шесть месяцев — на сборку. И вот устройство, оснащенное вакуумным насосом, красуется на столе. Встроенная в аппарат камера показывает на мониторе, что происходит внутри: светящееся облако газа внутри металлической спирали.

В том, что это всамделишный термоядерный реактор и что эта штука действительно работает, убедились и все сотрудники физического факультета Университета штата Юта (Utah State University), и многие другие ученые.

INFO

Формула водородной термоядерной реакции:

3Н+2Н>4Не+n