Интересное Наука

Термоядерный реактор: как ученые осваивают энергию в 10 раз больше энергии Солнца

Атомная энергетика уже более полувека считается наиболее эффективным и дешевым способом генерации энергии в больших масштабах. Но ученые уже давно ищут способы выйти на новый уровень освоения энергии атомного ядра и научиться строить не только ядерные, но и термоядерные реакторы. Если в случае обычной ядерной реакции происходит деление тяжелых ядер радиоактивных элементов, то термоядерная реакция – это обратный процесс, в ходе которых ядра легких элементов сливаются в более тяжелые. В обоих случаях выделяется большое количество энергии, однако во время термоядерной реакции энерговыделение происходит намного быстрее и сильнее. Именно поэтому термоядерные водородные бомбы заметно мощнее, чем обычные атомные бомбы из плутония и урана. Но и управлять термоядерной реакцией куда сложнее, в связи с чем построить действующий эффективный термоядерный реактор еще пока не удалось ни одной стране. 

Читайте также: Девятая планета солнечной системы: миф или научный факт 

Что такое термоядерный реактор или токамак?

Идеи создания термоядерного реактора впервые стали появляться в середине ХХ века. Первопроходцами в этом направлении стали известные советские физики О. Лаврентьев, А. Сахаров, И. Тамм, И. Головин, Н. Явлинский, Л. Арцимович и другие. Так как конструкция термоядерного реактора предполагала использование специальных магнитных катушек, которые были необходимы для термоизоляции высокотемпературной плазмы, И. Головин предложил использовать для нового устройства термин «токамаг», который был сокращением от слов «тороидальная камера магнитная». Позже последняя буква «г» для благозвучности была заменена на «к», а само понятие токамак с тех пор стало международным и используется в разных языках.

Для осуществления термоядерной реакции смесь изотопов водорода дейтерий и тритий необходимо нагреть до температуры в несколько десятков миллионов градусов. Это позволяет превратить данную смесь в ионизированную плазму – четвертое агрегатное состояние вещества, которое отличается и от газообразного, и от жидкого. Понятно, что такие экстремальные температуры требуют использования уникальных технологий удержания плазмы, ведь любой известный материал на Земле таких температур попросту не выдержит. Для этого советскими учеными и было придумано уникальное устройство, представляющее собой некое подобие магнитной ловушки. Плазма в ней находится внутри специального тора, вокруг которого создается мощное магнитное поле, не позволяющее ей касаться стенок самой установки. 

Но конструкция токамака была лишь идеализированным представлением ученых о том, как должен выглядеть термоядерный реактор. В то же время на практике инженеры столкнулись с массой проблем, которые не позволили построить эффективный токамак, способный поддерживать работоспособность в течение долгого времени. Главным из них стал тот факт, что разогретая до огромных температур плазма то и дело выходила за пределы магнитного кольца, прикасаясь к стенкам самого устройства. Несмотря на то, что они изготавливались из прочнейших сплавов, это приводило к практически мгновенному разрушению стенок и остановке работы токамака. Кроме этого, внутри устройства регулярно скапливалась мелкая пыль и другие частицы, которые приводили к утечке трития и снижению концентрации смеси, необходимой для термоядерной реакции. 

Читайте также: Крупные аварии на атомных электростанциях: до Чернобыля и после 

Самый большой в мире термоядерный реактор ITER

Тем не менее, неустанная работа физиков и инженеров со всего света позволила добиться значительных успехов на пути создания термоядерных реакторов. В конце ХХI века было принято решение, что для строительства большого токамака необходимо объединить усилия как можно большего числа ученых, что привело к созданию проекта по строительству ITER – международного экспериментального термоядерного реактора. Его проектировка началась в 1992 г., но в виду огромной сложности проекта непосредственные работы по его строительству были начаты только в 2010. В ITER принимают участие ученые из более чем 30 стран, а саму установку было решено возвести на юге Франции неподалеку от Марселя. По своей стоимости этот проект в 3 раза превосходит знаменитый Большой адронный коллайдер, и на данный момент ITER является самым крупным международным научным проектом на планете.

ITER представляет собой гигантский токамак, вес которого составит 23 тыс. т. Диаметр реактора составит 20 метров, а высота – 60 метров. На этой установке планируется получать такое количество плазмы, которая не вырабатывается всеми экспериментальными токамаками вместе взятыми. При этом её температура составит 150 млн градусов, что почти в 10 раз больше, чем в ядре Солнца. Чтобы добиться подобных параметров, для ITER разработаны десятки уникальных технологий и материалов, а исходный для реакции тритий придется собирать всем миром, ведь его мировые запасы на данный момент меньше, чем того требуется для производительной работы данного реактора. Строительство ITER планируется завершить не раньше 2025 г. Тогда же начнутся первые испытания установки, однако подавляющее число ученых считает, что по-настоящему освоить термоядерную энергетику человечество сможет не раньше конца ХХI века.



ᇄÛÁ͇...