Термоядерная энергетика – альтернатива ядерной?

Человечество потребляет энергии всё больше и больше. Между тем такие природные ресурсы, как торф, уголь нефть, газ и прочие горючие полезные ископаемые, являются исчерпаемыми. Это означает, что рано или поздно они закончатся. Альтернативная энергетика развивается, но пока медленно. Атомная (ядерная) энергетика даёт сравнительно много энергии, но она сопряжена с опасностью радиации, которая многократно возрастает при авариях. Но какие ещё существуют альтернативы?

Самой значимой среди них как раз и может послужить термоядерная энергетика. И хотя она ещё не даёт промышленной энергии, можно считать, что зародилась она ещё в 1969 году (именно в этом году на российской экспериментальной установке «токамак» была достигнута в объёме 1 метр куб. температура 3 миллиона градусов).

Но что же такое термоядерная энергетика, или горячий ядерный синтез? При «обычных» ядерных реакциях, которые протекают в ядерных реакторах атомных станций, происходит распад атомных ядер на более мелкие с отщеплением радиоактивных осколков. Так как атомы используемого в АЭС материала радиоактивны и период полураспада короткий, то ядра таких атомов распадаются сами, их не нужно греть до высоких температур.

При реакции ядерного синтеза более мелкие ядра атомов соединяются в более крупные. Например, ядра атомов водорода объединяются в ядра гелия. Общая энергия отдельных ядер водорода при этом чуть больше, чем общая энергия вновь образованного ядра гелия. При соединении этих ядер как раз и выделяется та самая энергия, которой как бы «не хватает» в ядре гелия. Вот её и можно использовать, преобразуя в электрическую энергию. Но для того, чтобы реакция пошла, нужно придать ей минимально необходимую температуру. Прямо как при химической реакции горения. Вот только требуется придать не 70-100 градусов и даже не 500-1000, а более 100 миллионов градусов (тут уже не важно, по Цельсию считать, или по Кельвину!), и ещё требуется минимальное время для инициализации (запуска реакции).

Но как обеспечить нужную температуру, если она столь высока? Сначала учёные посмотрели, как это происходит в звёздах. Например, на Солнце. Ведь что такое Солнце? Это громадный шар хорошенько разогретой плазмы, вот он и представляет собой природный термоядерный реактор. Там как раз и протекают вышеописанные реакции. Шар движется в космическом пространстве, а вокруг пустота. Вакуум. Ну, если быть более точным, не совсем, конечно, вакуум. Ведь и само Солнце излучает массу всяких частиц, и космическая пыль, и газы (хотя и весьма разрежённые), и различной природы поля (электромагнитное, гравитационное и т.д.) и прочая материя. Но как создать такой «почти вакуум» вокруг искусственной массы реагирующих компонентов? Ведь стенки при такой температуре не просто расплавятся – они испарятся! И реакция тут же прекратится.

Физики выход из положения нашли. В звёздах реакционная смесь удерживается с помощью гравитационного поля, там сила этого поля велика, ведь масса звёзд огромна. В земных условиях учёные решили воспользоваться услугами электромагнитного поля. Но не совсем обычного, а тороидального. Такое поле «висит» внутри реактора и окружает плазму снаружи, не давая ей прикасаться к стенкам. Правда, стенки всё равно нагреваются, но «всего лишь» до 800 – 1200 градусов. Есть высокопрочные материалы, которые долгое время выдерживают столь жёсткие условия. Это некоторые виды стали, а также композитная керамика, в основе которой – карбид кремния.

Но не опасен ли такой реактор?

Что можно сказать о радиоактивности топливных компонентов, их отходов, а также о последствиях какой-либо аварии?

С радиацией здесь всё очень хитро: можно сделать так, что какой-то процент ионизирующего излучения будет выделяться, а можно сделать и так, что радиации будет меньше, чем при сгорании угля или торфа (эти виды топлива почти всегда содержат какое-либо количество радиоактивных изотопов, которые потом попадают в золу либо с выбросными газами уходят в атмосферу).

Рассмотрим, какие радиоактивные отходы могут оставаться при реакции синтеза гелия из водорода. Самые обычные ядра атомов водорода состоят из одного протона (именно поэтому их иногда просто называют протонами, а такой водород – протием). Но в реакциях большую ценность имеют дейтерий (в ядре протон и нейтрон) и тритий (в ядре протон и два нейтрона). Дейтерия в природе хватает, хотя и меньше, чем протия. Тритий присутствует в природе лишь в следовых количествах, так как он радиоактивен и быстро распадается. Так вот, ядро дейтерия и ядро трития соединяются, и образуется ядро гелия. Это и есть главный отход. Радиоактивен ли он? А это смотря как посмотреть. Пока ядра гелия имеют высокую скорость, они радиоактивны в том смысле, что они могут сбивать попадающиеся им на пути атомы, разрушать молекулы и так далее. Но когда они обзаведутся электронами, «остепенятся», то это уже премилые создания. Они стабильны и в химическом отношении (ни с чем не взаимодействуют), и в радиоактивном (очень трудно разложить эти ядра, до того они крепки). Так что гелий – это «хороший отход».

Но в ходе реакции образуются «лишние» нейтроны. Они радиоактивны в двух смыслах: носятся быстро, и в свободном виде распадаются (период полураспада 10 минут). Но это «условные» отходы, их можно научиться пустить в дальнейшее использование.<

Может ли взорваться термоядерная реакция? А там нечему взрываться. Масса реакционной смеси хоть и занимает большой объём, но чрезвычайно мала – как две-три почтовые марки. А что, если на станцию упадёт самолёт или обрушится землетрясение? Опять же, взрываться нечему. В окружающую среду попадёт радиоактивного вещества меньше, чем из заводских труб. Термоядерного взрыва не будет.

Но перед энергетиками стоят трудности конструкторского плана. Проект должен быть максимально надёжным и окупаемым, вот над этим в настоящее время и работают учёные.