Что такое термоядерный синтез и почему он так важен?
Термоядерный синтез — процесс, при котором два легких атомных ядра, обычно дейтерия и трития (изотопов водорода), соединяются, образуя одно или несколько более тяжелых ядер и субатомных частиц (нейтронов или протонов). При этом разница в массе между реагентами и продуктами проявляется в виде выделения или поглощения огромного количества энергии. Эта разница в массе возникает из-за разницы в ядерной связной энергии между атомными ядрами до и после реакции. Термоядерный синтез — тот же процесс, который питает активные или главные звезды, включая наше солнце. Для того, чтобы синтез происходил на нашем солнце, ядра должны сталкиваться друг с другом при чрезвычайно высоких температурах, около десяти миллионов градусов Цельсия. Высокая температура обеспечивает им достаточно энергии, чтобы преодолеть их взаимное электрическое отталкивание. Когда ядра подходят на очень близкое расстояние друг к другу, притягательная ядерная сила между ними перевешивает электрическое отталкивание и позволяет им сливаться.
Термоядерный синтез представляет огромный интерес для ученых и инженеров, так как если его можно будет воспроизвести на Земле в промышленных масштабах, он сможет обеспечить практически неограниченный, чистый, безопасный и доступный источник энергии, чтобы удовлетворить потребности растущего мирового населения. Синтез может генерировать в четыре раза больше энергии на килограмм топлива, чем деление (используемое в ядерных электростанциях) и почти в четыре миллиона раз больше энергии, чем сжигание нефти или угля. Большинство концепций реакторов термоядерного синтеза, находящихся в разработке, будут использовать смесь дейтерия и трития — атомов водорода, содержащих дополнительные нейтроны. В теории, с помощью всего нескольких граммов этих реагентов можно произвести тераджоуль энергии, что примерно равно энергии, необходимой одному человеку в развитой стране на шестьдесят лет. Топливо для синтеза обильно и легко доступно: дейтерий можно дешево извлекать из морской воды, а тритий потенциально можно производить из реакции нейтронов, генерируемых синтезом, с естественно распространенным литием. Эти запасы топлива прослужат миллионы лет. Будущие реакторы термоядерного синтеза также являются принципиально безопасными и не должны производить высокоактивных или долгоживущих ядерных отходов. Кроме того, поскольку процесс синтеза сложно начать и поддерживать, нет риска неконтролируемой реакции и таяния; синтез может происходить только при строгих условиях эксплуатации, вне которых (в случае аварии или сбоя) реакция просто прекращается. Таким образом, термоядерный синтез обладает огромным потенциалом для создания чистой и безопасной энергии для человечества.
Что такое реактор JT-60SA и как он работает?
Реактор JT-60SA — суперпроводящий токамак, который использует магнитное поле для удержания и нагрева плазмы — ионизированного газа, состоящего из дейтерия и трития. Токамак — это тороидальная (пончикообразная) камера, в которой плазма подвергается высокому давлению и температуре, достаточным для запуска реакции термоядерного синтеза. Реактор JT-60SA имеет диаметр 10 метров и высоту 6,6 метра, а его магнитное поле достигает 2,25 тесла. Реактор способен поддерживать плазму в течение 100 секунд, что является рекордным временем для токамаков. Реактор JT-60SA не предназначен для производства электричества, а для исследования и оптимизации параметров плазмы, необходимых для достижения эффективного и устойчивого синтеза. Реактор JT-60SA является частью международной программы по развитию термоядерного синтеза, которая включает в себя другие крупные проекты, такие как ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор) во Франции и DEMO (Демонстрационный реактор термоядерного синтеза) в Европе.
Какие перспективы и вызовы у термоядерного синтеза?
Термоядерный синтез является одним из самых амбициозных и сложных научных и технических предприятий в истории человечества. Ученые и инженеры работают над решением множества проблем, связанных с созданием и контролем плазмы, выбором и разработкой материалов, обеспечением безопасности и экологичности, а также снижением затрат и повышением эффективности. Одним из главных вызовов является достижение положительного энергетического баланса, то есть когда реактор вырабатывает больше энергии, чем потребляет для своей работы. Другим важным фактором является длительность и устойчивость плазмы, которая должна быть поддержана на достаточно высоком уровне, чтобы обеспечить непрерывный синтез. Кроме того, необходимо разработать способы эффективного и безопасного извлечения энергии из плазмы и ее преобразования в электричество, а также обеспечить защиту реактора и окружающей среды от воздействия нейтронов, генерируемых синтезом. Несмотря на эти и другие трудности, ученые и инженеры уверены, что термоядерный синтез является реальной и жизнеспособной альтернативой традиционным источникам энергии, которая может обеспечить чистую, безопасную и доступную энергию для миллиардов людей в течение многих веков.
