Термоядерный синтез

Термоядерные реакции – это реакции синтеза легких ядер, протекающие при высоких температурах.

Условия термоядерного синтеза
Для осуществления термоядерных реакций необходимы очень высокие температуры (T≈108 К): сталкивающиеся ядра должны иметь достаточно большую скорость, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание.

Пример термоядерной реакции
Примером термоядерной реакции является слияние изотопов водорода (дейтерия и трития), в результате чего образуется гелий и излучается нейтрон.
Это первая термоядерная реакция, которую ученым удалось осуществить. Она была реализована в термоядерной бомбе и носила неуправляемый (взрывной) характер.

Термоядерное оружие
Первая термоядерная реакция была осуществлена при взрыве водородной бомбы 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне. Ее «отцом» стал академик Андрей Дмитриевич Сахаров. Высокую температуру, необходимую для начала термоядерной реакции, в водородной бомбе получали в результате взрыва входящей в ее состав атомной бомбы, играющей роль детонатора.
Термоядерные реакции, происходящие при взрывах водородных бомб, являются неуправляемыми.

Источником энергии Солнца и других звезд тоже являются реакции термоядерного синтеза, протекающие в их недрах. Таким образом, солнце является природным термоядерным реактором.
Основным процессом, в котором происходит освобождение термоядерной энергии в звездах, является превращение водорода в гелий.

Управляемый термоядерный синтез
Управляемый термоядерный синтез (УТС) – это синтез более тяжелых атомных ядер из более легких с целью получения энергии синтеза.
Он отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра.

В 1951 году советские физики А.Д.Сахаров и И.Е.Тамм предложили применять плазменную конфигурацию в форме бублика (тора), которая используется в установке «Токамак» (тороидальная камера с магнитными катушками).

Первый «Токамак» был построен в России в Институте Атомной Энергии им И.В. Курчатова в 1956 г.
Для успешной работы «Токамака» надо решить три задачи.
1) Температура. Процесс ядерного синтеза требует чрезвычайно высокой энергии активации. Изотопы водорода необходимо нагреть до температуры примерно 40 млн.К. Это температура, превышающая температуру Солнца. При такой температуре электроны "испаряются" - остается только положительно заряженная плазма - ядра атомов, разогретые до высокой температуры.
Ученые пытаются разогревать вещество до такой температуры при помощи магнитного поля и лазера, но пока безуспешно.
2) Время. Чтобы началась реакция ядерного синтеза, заряженные ядра должны находиться на достаточно близком расстоянии друг от друга при Т=40млн.К довольно длительное время - около одной секунды.
3) Плазма. Во время ядерного синтеза вещество находится в состоянии плазмы при очень высокой температуре. Но в таких условиях любое вещество будет находиться в газообразном состоянии.
Поскольку у плазмы есть заряд, то для ее удержания можно использовать магнитное поле. Но пока создать надежную "магнитную колбу" ученым так и не удалось.
По самым оптимистическим прогнозам, ученым понадобится 30-50 лет, чтобы создать работающий экологически чистый источник энергии.

Возможность осуществления УТС теоретически рассчитана в нескольких вариантах, однако еще ни один не реализован. На сегодня наиболее перспективным решением проблемы УТС представляется создание термоядерного реактора (и электростанции на его основе) с использованием высокотемпературной плазмы, удерживаемой магнитным полем. Однако не исключены и иные решения, например облучение твердой мишени(крупинки смеси дейтерия и трития) лазерным излучением. Различные варианты УТС в последние десятилетия изучаются физиками во всех развитых странах мира. При полной научно-теоретической ясности путей решения задачи остается еще много нерешенных чисто технических и технологических вопросов, требующих трудоемких и дорогостоящих исследований. УТС - одна из наиболее фундаментальных научно-технических проблем; ее решение обеспечит человечество достаточно экологически чистым источником энергии практически на неограниченный срок.

Преимущества
Сторонники использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу:
Практически неисчерпаемые запасы топлива (водород).
Топливо можно добывать из морской воды на любом побережье мира, что делает невозможным монополизацию горючего одной или группой стран;
Отсутствие продуктов сгорания;
По сравнению с ядерными реакторами, вырабатывается незначительное количество радиоактивных отходов с коротким периодом полураспада;