Энергия на длинную дистанцию
Одна из основных задач человечества в настоящее время — поиск источников энергии, альтернативных углеводородным. Ими могут быть, например, падающая вода, распад ядер тяжёлых элементов, ветер, солнечное излучение и тому подобное. Но все эти источники, по тем или иным причинам, не способны полностью заменить человечеству углеводородное топливо.
Гидроэнергетика обладает рядом преимуществ по сравнению с другими источниками энергии, например низкой себестоимостью (примерно в 4 раза дешевле энергии тепловых электростанций) и быстрой окупаемостью, тем не менее она не может полностью обеспечить энергетические потребности человечества.
Производство атомной энергии сопряжено с рисками аварий и радиоактивного загрязнения окружающей среды. Кроме того, согласно докладу «World Nuclear Industry Status Report» (2019), атомная энергия в 3—4 раза дороже солнечной и ветряной.
Ветроэлектростанции могут обеспечить регулярное производство лишь небольшого количества электроэнергии, поскольку ветер — крайне неустойчивый источник энергии. Период эксплуатации ветра для получения электроэнергии составляет от 25 до 40% от всего времени работы ветроэлектростанции в зависимости от географического положения и конструкции турбины.
Солнечная энергия, как и энергия ветра, неустойчива: солнечный свет отсутствует в ночное время, а также в пасмурные дни, что приводит к необходимости аккумулирования энергии. Солнечные электростанции экологически безопасны во время эксплуатации, но могут нанести вред окружающей среде на этапах производства и утилизации аккумуляторов и солнечных панелей.
Кроме того, количество энергии, которое можно получить с единицы площади солнечной электростанции, относительно мало, то есть такие источники энергии могут служит лишь в качестве дополнительных, а не основных.
Подражая звёздам
На данный момент единственная достойная альтернатива углеводородному топливу — управляемый термоядерный синтез. Термоядерные реакции — основной источник энергии во Вселенной. Их энергозапас грандиозен. Благодаря этим реакциям существуют звёзды, в том числе и наше Солнце, поток излучения которого делает возможной жизнь на Земле. Откуда же берётся такая колоссальная энергия?
Как известно, ядра атомов состоят из нуклонов — протонов и нейтронов. Опытным путём установлено, что масса ядра меньше массы составляющих его нуклонов. Разницу масс называют дефектом масс (Δm). Как такое возможно? Современная физика утверждает, что часть массы нуклонов при их соединении в одно ядро превратилась в энергию излучения и кинетическую энергию частиц. Масса и энергия взаимосвязаны — это важнейший вывод специальной теории относительности, разработанной А. Эйнштейном. Масса может переходить в энергию, а энергия — в массу. Тело массой m обладает энергией, называемой энергией покоя E0 = mc2, где с — скорость света в вакууме, равная приблизительно 3∙108 м/с. На сегодняшний день это одна из самых известных формул в физике. Выделившаяся при таком преобразовании массы нуклонов энергия называется энергией связи и определяется как Eсв = Δmс2. Отношение энергии связи ядра к числу нуклонов в ядре называется удельной энергией связи, то есть энергией связи, приходящейся на один нуклон. Зная массы ядер различных химических элементов и массы протона и нейтрона (их устанавливают экспериментально с помощью специальных детекторов), можно определить энергии связи ядер этих химических элементов.
В ядрах нуклоны удерживаются вместе ядерными силами. Эти силы являются короткодействующими: они существенны на расстоянии порядка размера нуклона, 10–15 м, это в тысячи раз меньше самых маленьких атомов. На таких расстояниях ядерные силы намного превосходят электростатические силы отталкивания, действующие между протонами и являющиеся сравнительно дальнодействующими. Для того чтобы «разобрать» ядро на отдельные нуклоны, необходимо затратить энергию, равную энергии связи всех нуклонов, ведь иначе, без привлечения этой энергии, нуклонам ядра «не хватает массы» для существования в разделённом состоянии. При образовании ядра из отдельных нуклонов энергия связи нуклонов, напротив, высвобождается: «лишняя масса» нуклонов преобразуется в энергию и покидает систему.
Энергия связи ядра в расчёте на один нуклон тем больше, чем более компактно ядро «упаковано», то есть чем ближе нуклоны друг к другу и чем более симметрично они расположены относительно центра ядра. Форма самых лёгких ядер, содержащих всего несколько нуклонов, несимметрична, и удельная энергия связи в таких ядрах невелика. Ядра с большими атомными весами, как правило, имеют «рыхлую» структуру, и удельная энергия связи в таких ядрах также сравнительно мала. Наибольшую удельную энергию связи имеют ядра среднего размера: редкого изотопа никеля 62Ni (8 794 кэВ), изотопа железа 58Fe (8 792 кэВ) и наиболее распространённого изотопа железа (он составляет около 92% всего железа) 56Fe (8 790 кэВ). Их ядра максимально плотно «упакованы», наиболее прочно связаны, а потому очень устойчивы. Кстати, поэтому ядра звёзд состоят из никеля и железа: им просто некуда преобразовываться дальше, термоядерные превращения здесь в принципе заканчиваются.
Изменение состава ядра называется ядерной реакцией. Положительный энергетический баланс, таким образом, имеют те ядерные реакции, которые направлены в сторону образования ядер среднего размера: либо путём деления тяжёлых ядер, либо, напротив, путём слияния лёгких. Первая реакция называется реакцией ядерного распада, вторая — реакцией термоядерного синтеза. Обе реакции можно использовать для получения энергии. Как осуществить слияние двух ядер? Взаимодействующие ядра заряжены положительно и сильно отталкиваются, поэтому, чтобы ядра сблизились на расстояние действия ядерных сил, им необходимо преодолеть потенциальный барьер, создаваемый силами кулоновского расталкивания. Это возможно лишь при большой величине относительной скорости частиц. Одним из способов достижения высоких скоростей является сильный нагрев вещества, из-за чего такие реакции и получили название термоядерных.
Высота кулоновского барьера между двумя ядрами, то есть сила их расталкивания, определяется количеством протонов в каждом из ядер и, значит, пропорциональна произведению атомных номеров ядер. Поэтому легче всего осуществить сближение самых лёгких ядер, имеющих атомный номер 1. Из однозарядных ядер в реакцию слияния хорошо вступают ядра «тяжёлых» изотопов водорода: дейтерия D (ядро из протона и нейтрона) и трития Т (ядро из протона и двух нейтронов). Подчеркнём, что существуют и другие виды термоядерных реакций, в которых участвуют частицы с бόльшим зарядом, однако скорости их протекания на несколько порядков меньше, и они становятся заметными при очень больших температурах, порядка 109°С. Поэтому их осуществление значительно более сложное.
Дейтерий стабилен и входит в состав молекул тяжёлой воды D2O, содержащейся в обычной морской воде в пропорции 1:6500 (около 1 г дейтерия на 60 л воды). Поскольку вода доступна в практически неограниченном количестве (в отличие, например, от природного урана), производство дейтерия намного проще, чем ядерного топлива. Тритий нестабилен с периодом полураспада 12,4 года, поэтому его запасы на Земле отсутствуют. Однако он может быть произведён, например, из лития путём облучения быстрыми нейтронами или в процессе слияния ядер дейтерия.
В результате столкновения двух ядер дейтерия (эти ядра называют дейтронами) может происходить один из двух процессов: первый — с образованием ядра изотопа гелия 3He и нейтрона n; второй — с образованием ядра трития Т и протона p:
В обоих случаях при элементарном акте ядерного синтеза выделяется большая энергия: около 3,3 МэВ в первом случае и около 4 МэВ во втором (отметим, что энергия 1 МэВ соответствует температуре 11,65 млрд °С). Энергия уносится в основном в виде кинетической энергии нейтронов, для превращения её в тепло и далее в электрическую энергию нейтроны должны быть поглощены теплоносителем.
Образовавшийся тритий может вступать в реакцию синтеза с дейтерием по схеме
при которой образуются ядра атома гелия-4 (из двух протонов и двух нейтронов), их называют также α-частицами, и быстрые нейтроны n. В такой реакции выделяется энергии 17,7 МэВ. Интересен факт, что для сближения ядер трития и дейтерия им достаточно сообщить энергию порядка единиц кэВ, а вот продукты реакции имеют энергию порядка единиц МэВ, то есть в тысячи раз бόльшую. Отметим, что при образовании 1 г гелия высвобождается энергия порядка 720 ГДж, что эквивалентно энергии, выделяемой при сжигании 25 тонн угля.
Если в результате реакций ядерного деления в больших количествах образуются радиоактивные изотопы, то при реакции термоядерного синтеза такие продукты в существенных количествах не возникают (радиоактивные отходы образуются не в процессе самой реакции, а в результате бомбардировки окружающего оборудования быстрыми нейтронами). Доступность сырья и практически неограниченное количество исходного топлива при сравнительной экологической чистоте делают термоядерную энергетику чрезвычайно привлекательной. С одной стороны, запас воды на Земле очень велик, с другой — воды для таких реакторов требуется крайне мало. Количество этого топлива размером с ананас эквивалентно 10 000 тонн угля (примерно 200 полным железнодорожным вагонам). Дейтерий, содержащийся в 1 л воды, может дать энергию, эквивалентную сжиганию 300 л бензина.
Однако для инициирования реакции термоядерного синтеза только нагреть топливо до нужных температур недостаточно. Дело в том, что ядра после удара друг о друга могут не вступить в реакцию слияния, а просто разлетятся: вероятность этого в миллион раз больше вероятности термоядерной реакции. То есть требуется удерживать температуру в течение такого времени, чтобы достаточное количество ядер приняли бы участие в термоядерной реакции. Только тогда суммарный выход энергии превысит энергию, затраченную на нагрев и удержание топлива.
Реакции синтеза в дейтерии, происходящие по приведённой схеме, обладают заметной интенсивностью лишь при температурах, превышающих 2,5 млн градусов. А для того, чтобы выделяющаяся избыточная энергия представляла практический интерес, необходима температура уже в несколько сот миллионов градусов. При такой температуре дейтерий превращается в высокоионизованную плазму, и основная трудность заключается в том, чтобы изолировать её от стенок реактора, в котором она находится (удержать плазму от разлёта). Иначе плазму из-за её высокой теплопроводности не удастся нагреть даже до нескольких сотен тысяч градусов, так как вся сообщаемая ей энергия немедленно уйдёт на стенки.
Оценить, будет ли термоядерная реакция в данной установке иметь положительный баланс энергии и, следовательно, служить источником энергии, можно с помощью условия, впервые сформулированного английским физиком Джоном Лоусоном в 1957 году (критерий Лоусона). Чтобы реакция успела пройти достаточное количество раз для выделения нужного количества энергии, частицы плазмы нужно сильно сблизить и определённое время τ удерживать, не давая разлететься. Степень этого сближения определяется концентрацией плазмы n (число ядер в 1 см3). Тогда для реакции дейтерий-дейтерий при температуре порядка 100 млн градусов (энергия дейтронов 10 КэВ) критерий Лоусона имеет вид nτ ≥ 1016 с/см3, где τ измеряется в секундах. Для реакции дейтерий-тритий он выглядит как nτ ≥ 1014 с/см