Солнце в спирали
Стеллараторы – новые фавориты в гонке за будущую термоядерную энергетику, обещающие потеснить старые добрые токамаки. Чем они отличаются, как должны работать, а главное, когда? Раскрываем суть в десяти ключевых терминах.
Источник всего. Термины: дефект массы [1], термоядерный синтез [2]
Атомные ядра состоят из нуклонов – протонов и нейтронов, частиц довольно тяжелых. Однако целое ядро весит чуть меньше, чем сумма входящих в него нуклонов [1]. Часть массы в соответствии с формулой E = mc2 теряется, превращаясь в энергию связи, которая удерживает частицы вместе и не позволяет ядру развалиться. В пересчете на один нуклон эта величина минимальна у легких изотопов, а у водорода с ядром из единственного протона она и вовсе нулевая. Максимума энергия связи достигает у элементов «средней тяжести», таких как никель и железо, а у более массивных снова уменьшается. Если распадется тяжелое ядро урана или сольется пара легких водородов, продукты реакций потеряют в массе. Разница высвободится потоком энергии – излучения и тепла, причем в реакциях соединения легких ядер [2] на то же количество топлива ее выделится больше, чем при делении тяжелых. Кроме того, синтез почти не создает радиоактивных отходов. Топливо для него безопаснее урана или плутония, а главное, при любой неполадке, падении температуры или давления процесс останавливается сам – риска аварий, подобных чернобыльской или фукусимской, практически нет. Разработка термоядерного реактора началась почти одновременно с созданием ядерного. Однако необходимые для такой реакции колоссальные температуры, каких нет даже на Солнце, делают контролируемый синтез очень сложной задачей.
Горячее топливо. Термины: поперечное сечение [3], наработка трития [4]
Чтобы заставить ядра соединиться, мало просто свести их вместе: как всегда в мире элементарных частиц, речь идет лишь о вероятности события. Шанс на протекание реакции между двумя столкнувшимися частицами зависит от ее поперечного сечения [3], которое определяется видом частиц и их энергией. У пары дейтерия (D) и трития (T) оно максимально – в 10–100 раз больше, чем у ближайших конкурентов, и на много порядков превышает сечение реакции у двух протонов, которые с трудом соединяются в недрах нашей звезды. Правда, в ходе реакции D-T возникает не только гелий, но и свободный нейтрон – частица довольно зловредная. Нейтроны не заряжены, их не поймаешь и не удержишь электромагнитным полем. Бомбардируя стенки реактора, такие частицы вызывают повреждения и создают наведенную радиоактивность. Однако их можно использовать: если обложить реактор подходящей мишенью, например литием-6, под ударами нейтронов его ядра будут распадаться до трития, нарабатывая свежее топливо [4]. Поэтому сегодня пара D-T считается компромиссным, самым практичным и доступным вариантом термоядерного топлива. Но чтобы положительно заряженные ядра соединились, требуется сблизить их, преодолев отталкивание. А значит, сначала нужно нагреть топливо, позволяя частицам взаимодействовать как можно дольше и с оптимальной энергией. Высокая плотность увеличит частоту столкновений, а температура – их шансы на успех. Иначе говоря, топливо придется сжать и раскалить хотя бы до 10–20 млн градусов, как на Солнце, а лучше до 100–150 млн – до очень горячей плазмы.