Термоядерный синтез: когда наступит светлое будущее?

Энергия звёзд

Термоядерный синтез гелия из водорода — самая распространённая реакция во Вселенной. И самая эффективная в плане выхода энергии по отношению к массе использованного горючего. А ещё, вероятно, самая экономичная, поскольку во Вселенной вообще мало что есть, кроме водорода.

Если мы получаем энергию не путём термоядерного синтеза, то мы получаем её неоптимальным способом. Любой другой источник заведомо менее производителен, потребляет топливо, запасы которого (по сравнению с запасами водорода) ограничены, а зачастую оно ещё и отравляет окружающую среду отходами. У термоядерного реактора в этом отношении всё идеально, гелий-то не отход, а безвредный газ для воздушных шариков.

И всё же идея термоядерной энергетики не особо популярна у фантастов. Откуда берётся электроэнергия в процветающих мирах будущего, обычно не говорят вообще или упоминают какой-нибудь люксоген с дробной пространственной размерностью. Писатели интуитивно чуяли связанный с термоядерным синтезом подвох. Учёные же, напротив, долгое время принципиальных затруднений не предвидели.

В 1950-x проблема казалась сложной, но разрешимой. Правда, в ту технооптимистичную эпоху «сложной, но разрешимой» считалась вообще любая задача, которую удалось чётко сформулировать. В 1960-е футурологи, опираясь на аналогию с ядерной и водородной бомбами, уверенно предсказывали, что эпоха термоядерной энергетики наступит через десять-пятнадцать лет после строительства первой АЭС. Физики не возражали.

Ни в 1970-е, ни в 1980-е водородные электростанции не появились. Но учёные не сомневались: промышленный синтез возможен даже с доступными технологиями, если их правильно применить.

К 1990-м стало ясно, что без принципиально новых технологий и углубления теоретических знаний по ядерной физике термоядерное пламя приручить не удастся. Прогноз ухудшили до двадцати пяти лет. А в начале XXI столетия — до пятидесяти. Теоретические знания углубились настолько, что стало непонятно, с какой стороны подступиться к задаче.

Суть проблемы

На планете Плюк из фильма «Кин-дза-дза» кончилась вода, поскольку из неё делали луц — горючее для звездолётов. Логично предположить, что луц — это водород

Проблема в том, что реакции синтеза отличаются высоким порогом. Тяжёлое ядро урана норовит распасться само по себе, но протоны — ядра водорода — отталкиваются друг от друга кулоновской силой. Если сломить сопротивление одноимённых зарядов, то при слиянии частиц выделится несравненно больше энергии, чем затрачено. Но без первоначальных «вложений» не обойтись.

Казалось бы, мелочь. Ну порог, ну и что? С точки зрения физики высоких энергий это не порог, а курам на смех! Мощный ускоритель частиц не просто столкнёт протоны лбами, он расплющит их друг о друга в кварк-глюонную плазму! Но кварки нам не нужны. Так что берём синхротрон попроще и направляем пучок протонов на мишень из содержащего водород материала. Порог реакции будет преодолеваться, и в мишени начнётся синтез.

Электроядерные реакторы существуют несколько десятилетий и, кроме экспериментальных целей, применяются для производства ценных изотопов. Но вырабатывать энергию таким способом, увы, нельзя. Ядро атома водорода по сравнению с самим атомом очень мало, и попасть «ускоренным» протоном в яблочко мишени трудно. «Снаряд» просто увязнет в бесконечных электронных оболочках, растратив энергию на нагрев мишени, и никакой термоядерной реакции не произойдёт. Можно избавиться от электронов, пустив навстречу друг другу пучки полностью ионизированных частиц, но принципиально ситуацию это не изменит. Столкновения будут слишком редкими, чтобы выход от термоядерных реакций оправдал затраты на разгон частиц.

Термоядерный синтез окажется экономически целесообразным, только если реакция станет цепной: чтобы необходимая для преодоления барьера температура в камере сгорания достигалась за счёт самого синтеза ядер.

Что же касается «холодного» синтеза, о его «открытии» время от времени объявляют ещё с 1990-х. Изобретатели, правда, никогда не уточняют, какая именно из термоядерных реакций у них произошла. Ведь реакцию синтеза опознают по продуктам, вылетающим из активной зоны. Если при «холодном синтезе» нет радиации — значит, нет и синтеза.

Плазма

Вторая часть проблемы в том, что проводить протон-протонный синтез не только сложно, но и бессмысленно. При столкновении двух протонов рождается дейтрон — состоящее из протона и нейтрона ядро тяжёлого водорода, плюс позитрон и нейтрино. Львиную долю энергии уносит нейтрино, проходящее сквозь нашу планету, как свет сквозь стекло, и, как следствие, малопригодное для кипячения воды.

Вот и получается, что, хотя водорода во Вселенной много, экономике от него пользы никакой. В недрах Солнца протон-протонный синтез — 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, а энергия, выделившаяся на предыдущем этапе, упрощала преодоление барьера реакции на следующем. Звёзды способны это обеспечить. Водород в их ядрах находится в сверхтвёрдой и сверхплотной («металлической») форме. Ядрам дейтерия и гелия-3 просто некуда деться!

Итак, имитация природных процессов — не наш путь. Разогретый до миллионов градусов металлический водород нельзя получить в лабораторных условиях. А если б и было можно, то миллиард лет выколачивать из него энергию по искре — идея сомнительная. Термоядерный реактор должен воспроизводить не будничное тление светил, а условия взрыва сверхновой, когда реакции идут при температуре, обеспечивающей преодоление кулоновского барьера при каждом столкновении.

Именно благодаря тому, что сердцевины звёзд состоят из твёрдого водорода, термоядерные реакции могут идти в них при температуре каких-то шесть миллионов градусов. Для преодоления кулоновского барьера этого не хватит. Однако некоторые ядра оказываются достаточно «горячи» для вступления в реакцию. Это редкость даже при огромном сжатии, потому-то звёзды и живут миллиарды лет. Излучение обычно уносит чуть больше энергии, чем выделяется в термоядерных реакциях. Если же баланс положительный, температура начинает расти, интенсивность синтеза увеличивается по экспоненте, и звезда вспыхивает, как сверхновая…

Конечно, удерживать разогретое до температуры 100 миллионов кельвинов вещество можно только в плазменной форме. Причём речь тут о плазме в том смысле, какой вкладывают в этот термин физики. Физическая плазма — не ионизированный газ, а четвёртое агрегатное состояние вещества, наблюдающееся при разрежении столь высоком, что взаимодействием частиц можно пренебречь. Плазма не подчиняется обычным для газа законам. В ней нет давления, она не нагревается при сжатии и, что особенно приятно, не стремится занять весь доступный объём. Ценой минимальных затрат её можно удерживать в магнитной ловушке в форме кольца. Независимо от температуры, ядра послушно будут бегать по кругу вблизи центральной оси откачанной трубы.

Ситуация как будто парадоксальная. Нет взаимодействия — не может быть и столкновений, реакций синтеза и разогрева вещества. Но грань между плазмой и газом тонка. Скажем, хотя каждый кубический километр космической туманности представляет собой плазму, облако в целом живёт по законам газа. Туманность настолько велика, что молекула не может покинуть её пределы без взаимодействий с другими. Так и в магнитной ловушке при любой плотности вещество будет газом, ведь пробег бесконечен, и одна частица непременно столкнётся с другой. Притом с ростом температуры (а значит, и скорости, и расстояния, преодолеваемого частицей за единицу времени) будет расти и давление. В плоскости же поперечной линии движения частицы будут существовать по законам плазмы.

Проблемы топлива

Идею пылающего кольца, плотного в одном измерении и представляющего собой высокий вакуум в прочих, уже в 1950-х успешно воплотили в советских установках ТОКАМАК и американских стеллараторах, различающихся способами предварительного разогрева топлива. И в СССР, и в США в качестве термоядерного горючего использовали смесь дейтерия и трития, так как реакции с участием тяжёлого и сверхтяжёлого водорода возможны при меньшей, чем у других элементов, температуре.

Реакции-то начинались, но кольцо из-за перемены температуры и плотности теряло стабильность и рассеивалось. Всё же реакторы совершенствовались. Уже в конце 1970-х исследователи считали, что победа близка и «положительный выход» (при цепной реакции синтеза выделяется больше энергии, чем затрачено на её запуск) будет достигнут сразу, как только им выделят денег на новую, более дорогую, установку…

Но нет, положительный выход достигнут не был. А в конце прошлого века даже у оптимистов возникло подозрение, что это и к лучшему. Проблема термоядерного синтеза заключалась в тритии. В случае синтеза с участием тяжёлого и сверхтяжёлого водорода 80% выделившейся энергии уносил рождающийся в реакции нейтрон.

Эти не имеющие заряда частицы сочетают высокую проникающую способность с исключительной зловредностью. 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, превращаясь в радиоактивный изотоп. А образующиеся в материале пузырьки газа приводят к потере прочности, деформации и разрушению стальных деталей. В лучшем случае после множества рикошетов нейтрон просто распадается и становится атомом водорода.

Персонал электростанции может укрыться от нейтронного излучения за бассейнами с водой (они в любом случае понадобятся для охлаждения), но защитить сам реактор от нейтронов не выйдет. А энергетическая установка, расходующая 80% выделяющейся энергии на саморазрушение, прослужит недолго.

Остальные 20% энергии обойдутся слишком дорого. Тритий не встречается в природе, его получают искусственно в ядерных реакторах поцене30 миллионов долларов за килограмм. А с учётом нейтронных потерь килограмм трития может заменить лишь три тысячи тонн нефти. Даже если «чёрное золото» вдруг подорожает 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, электричество дешевле будет вырабатывать на АЭС.

Поскольку тритий как термоядерное горючее не выдерживает критики, надежды связывают с изотопом гелий-3. Порог его реакции с дейтерием существенно выше, поскольку два протона гелиевого ядра отталкивают третий со вдвое большей силой. Но продуктами синтеза оказываются ядро обычного гелия (альфа-частица) и протон, что уже даёт выигрыш впятеро благодаря отсутствию нейтронных потерь.

Кроме того, гелий-3, в отличие от трития, стабилен и встречается в природе. Его много на Луне. Ещё в 1980-х годах подсчитали, что доставка гелия с Луны на Землю экономически оправдана. Для покрытия годичных потребностей человечества в энергии потребуется всего сотня тонн этого газа. Другой вопрос, что добыча такого количества гелия-3 предполагает переработку миллиардов тонн лунного грунта. Так что пока выгоднее производить гелий-3 искусственно. Из трития. И это ставит под вопрос осмысленность разработки даже экспериментальных установок для термоядерных реакций с участием гелия.

По разным причинам изотопы первых двух химических элементов в любых комбинациях для энергетики будущего бесполезны. Как и при создании 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 в случае с литием уже три протона будут объединёнными силами отталкивать четвёртый! И эта разница — решающая. В тороидальном (в форме бублика) плазменном реакторе изотопы водорода горят на практике. Гелий… должен в теории. Литий же не должен вообще! При температуре детонации его ядер плазма не может иметь необходимую для цепной реакции плотность.

Термоядерный ракетный двигатель

Самый мощный и качественно лучший среди всех, что мы можем вообразить. В современном ионном двигателе ядерная энергия преобразуется в электрическую, а электрическая — в кинетическую энергию ускоренного полем ионизированного газа. В сопле термоядерной ракеты энергия синтеза превращается в кинетическую сразу. Рабочим телом служит продукт реакции — гелий, ускоренный термоядерным жаром до 40 000 км/с (13% от скорости света).

Импульсный реактор

Литий — ещё один кандидат в спасители термоядерного синтеза

То, что порог вступления лития в термоядерные реакции хоть и высок, но преодолим, экспериментально установлено больше полувека назад. Нужно только с умом взяться за дело. Если капсулу с дейтеридом лития сперва обжать близким ядерным взрывом, а потом, в момент, когда её объём сократится вдесятеро, подорвать внутри капсулы второй ядерный заряд, то на фронте столкновения ударных волн всё получится. И прежде чем брошенные навстречу друг другу атомы поймут, куда им разлетаться, термоядерный заряд успеет выгореть.

Поскольку выделившейся энергии не так-то просто покинуть зону реакции, синтез, невозможный в плазме, в сжатом веществе даже при относительно низкой температуре разгорается по цепному принципу. Не использовать такое преимущество глупо. Импульсные реакторы, в которых термоядерная энергия выделяется в процессе микровзрывов, начали разрабатывать одновременно с плазменными — ещё в 1950-х годах.

Долгое время, впрочем, было больше разговоров, чем реальных дел. Несмотря на примитивность общего замысла, сложность установки не отвечала технологиям прошлого века. Детонацию ведра лития, допустим, можно вызвать встречным взрывом пары атомных бомб. Но чем с достаточной силой ударить по весящей одну сотую грамма крупице термоядерного горючего?!

Двухметровая в поперечнике сфера, внутренняя поверхность которой полностью состоит из «стволов» направленных к центру лазеров, сама по себе фантастична. Но ещё фантастичнее принцип действия импульсного реактора. Залп световых пушек должен не обратить в пар (что легко представить), а, напротив, стиснуть, обжать давлением излучения трёхмиллиметровую топливную таблетку до диаметра в миллиметр или меньше.

Картина эта так поражала воображение, что половина исследователей, засев за вычисления, на всякий случай поспешила покрепче обосновать теоретическую невозможность работы построенного на безумном принципе реактора. Другая же половина упорно пыталась импульсную установку создать — и тоже преуспела. В 2013 году в Калифорнии на реакторе NIF был достигнут «положительный выход», так и оставшийся недосягаемым для плазменных реакторов.

Праздновать победу тем не менее рано. Дело не только в том, что в качестве топливных таблеток NIF использовали стеклянные шарики с дейтерий-тритиевым льдом, а потому превысившая затраты на лазерный импульс энергия выделилась в форме быстрых нейтронов, не имеющих ценности. Добившись успеха с водородом, можно будет перейти к экспериментам с гелием, а затем и с литием, заменив лазеры на более эффективные циклические ускорители…

Но на этом этапе в полный рост встаёт четвёртая проблема термоядерного синтеза. Как преобразовывать выделяющуюся в активной зоне энергию в электричество, неведомо никому. Выпущенные на волю силы микромира порождают слишком «жёсткое» для использования в мирных целях излучение.

Если, как в нынешних электростанциях, химическое или ядерное пламя нагревает стенки котла с водой, давление пара будет вращать лопасти турбины. Но быстрые нейтроны просто пройдут сквозь котёл! Основной же продукт «безнейтронного» синтеза — альфа-частицы — отличает, напротив, низкая пробивная, зато огромная разрушительная сила. Рождённое в активной зоне ядро гелия не отскочит от стенки — оно вонзится в преграду, обратив вещество в пар и образовав кратер!

Одно время модно было твердить, что «проблема термоядерной энергетики — это проблема создания новых материалов», но постепенно возобладало иное мнение. По законам нашей Вселенной материалы, без вреда поглощающие быстрые нейтроны и не тающие под градом релятивистских альфа-частиц, существовать не должны. А значит, проблема не в них, а во Вселенной. Та просто не приспособлена для термоядерных реакторов существующих ныне типов!

Перспектива

В наши дни исследования в области управляемого термоядерного синтеза продолжаются с успехом и полным осознанием того, что цель недостижима методами, которые мы сейчас можем вообразить. В таких ситуациях люди обычно говорят: «Не больно-то и хотелось!» — и ищут иное применение своим талантам. Но здесь не тот случай. Термоядерная энергия — настолько значимый для человечества приз, что работает другой принцип: «Если нельзя, но очень хочется, то можно».

А хочется очень! Только термоядерная энергия позволит колонизировать Солнечную систему, переправляя грузы на Марс не тоннами, а миллионами тонн, перегоняя на околоземную орбиту железоникелевые астероиды и добираясь до спутников Нептуна за три-четыре месяца.

* * *

Энергия синтеза, которую можно получать без ограничений (лития не так много, как водорода, но достаточно), полностью изменит и Землю. Станут возможными глобальные проекты, скажем, по очистке атмосферы от избытка парниковых газов, накопившихся в эпоху углеводородной энергетики.

Углекислый газ из атмосферы в любом случае придётся изымать, одновременно повышая плотность отражающей солнечный свет облачности. Ведь неограниченное производство электроэнергии, большей частью переходящей в тепло, обязательно приведёт к перегреву планеты. Но новые, немыслимые сейчас, возможности термоядерной эры наверняка позволят сгладить остроту проблем, ими же порождённых.