Что такое Fusion и почему его так сложно достичь?

Пятьсот лет назад цивилизация ацтеков на территории современной Мексики считала, что солнце и вся его сила поддерживаются кровью человеческих жертвоприношений. Сегодня мы знаем, что Солнце, как и все другие звезды, питается реакцией, называемой ядерным синтезом. Если ядерный синтез можно воспроизвести на Земле, он может обеспечить практически безграничную чистую, безопасную и доступную энергию для удовлетворения мировых потребностей в энергии.

С 10 по 15 мая руководители термоядерных проектов, физики плазмы и эксперты в различных междисциплинарных областях термоядерной науки и техники собираются на «28-ю конференцию МАГАТЭ по термоядерной энергии» (FEC 2020). FEC 2020, посвященный изучению ключевых вопросов физики и технологий, а также инновационных концепций, имеющих прямое отношение к использованию ядерного синтеза в качестве будущего источника энергии, является полностью виртуальным и открытым для всех желающих. Зарегистрируйтесь, чтобы принять участие.

Так как же именно работает ядерный синтез? Проще говоря, ядерный синтез — это процесс, при котором два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое, высвобождая при этом огромное количество энергии. Реакции синтеза происходят в состоянии вещества, называемом плазмой — горячим заряженным газом, состоящим из положительных ионов и свободно движущихся электронов, который обладает уникальными свойствами, отличными от твердых тел, жидкостей и газов.

Чтобы слиться с нашим солнцем, ядра должны столкнуться друг с другом при очень высоких температурах, превышающих десять миллионов градусов по Цельсию, чтобы они могли преодолеть взаимное электрическое отталкивание. Как только ядра преодолеют это отталкивание и окажутся на очень близком расстоянии друг от друга, ядерная сила притяжения между ними перевесит электрическое отталкивание и позволит им слиться. Чтобы это произошло, ядра должны быть ограничены небольшим пространством, чтобы увеличить вероятность столкновения. На Солнце экстремальное давление, создаваемое его огромной гравитацией, создает условия для осуществления синтеза.

Количество энергии, получаемой в результате синтеза, очень велико — в четыре раза больше, чем в реакциях ядерного деления, — и реакции синтеза могут стать основой будущих термоядерных энергетических реакторов. Планируется, что в термоядерных реакторах первого поколения будет использоваться смесь дейтерия и трития — тяжелых типов водорода. Теоретически, используя всего несколько граммов этих реагентов, можно произвести тераджоуль энергии, что примерно соответствует энергии, необходимой одному человеку в развитой стране в течение шестидесяти лет.

Достижение звезд

В то время как массивная гравитационная сила Солнца естественным образом вызывает синтез, без этой силы для реакции требуется более высокая температура. На Земле нам нужны температуры, превышающие 100 миллионов градусов по Цельсию, и сильное давление, чтобы заставить дейтерий и тритий слиться, а также достаточное удержание, чтобы удерживать плазму и поддерживать реакцию синтеза достаточно долго для чистого прироста мощности, т. е. отношения произведенной мощности синтеза к мощность, используемая для нагрева плазмы.

Хотя условия, которые очень близки к тем, которые требуются в термоядерном реакторе, теперь обычно достигаются в экспериментах, необходимы улучшенные свойства удержания и стабильность плазмы. Ученые и инженеры со всего мира продолжают тестировать новые материалы и разрабатывать новые технологии для получения термоядерной энергии.

Исследования в области физики ядерного синтеза и плазмы проводятся более чем в 50 странах, и реакции синтеза были успешно осуществлены во многих экспериментах, хотя и не продемонстрировали чистого прироста мощности синтеза. Сколько времени потребуется для воссоздания процесса звезд, будет зависеть от мобилизации ресурсов через глобальное партнерство и сотрудничество.

История сотрудничества

С тех пор, как в 1930-х годах был открыт ядерный синтез, ученые стремились воссоздать и использовать его. Первоначально эти попытки держались в секрете. Однако вскоре стало ясно, что это сложное и дорогостоящее исследование может быть проведено только в сотрудничестве. На второй Международной конференции Организации Объединенных Наций по мирному использованию атомной энергии, состоявшейся в 1958 году в Женеве, Швейцария, ученые представили миру исследования ядерного синтеза.

МАГАТЭ находится в центре международных исследований в области термоядерного синтеза. В 1960 году МАГАТЭ выпустило журнал Nuclear Fusion для обмена информацией о достижениях в области ядерного синтеза, и в настоящее время он считается ведущим периодическим изданием в этой области.Первая международная конференция МАГАТЭ по термоядерной энергии была проведена в 1961 г., а с 1974 г. МАГАТЭ созывает конференцию каждые два года для обсуждения разработок и достижений в этой области.

После двух десятилетий переговоров о проектировании и размещении крупнейшей в мире международной термоядерной установки в 2007 году во Франции был создан ИТЭР с целью продемонстрировать научную и технологическую осуществимость производства термоядерной энергии. Соглашение ИТЭР сдано на хранение Генеральному директору МАГАТЭ. После ITER планируются демонстрационные термоядерные электростанции или DEMO, чтобы показать, что управляемый ядерный синтез может генерировать чистую электроэнергию. МАГАТЭ проводит семинары по DEMO для содействия сотрудничеству в определении и координации деятельности по регулярной программе DEMO по всему миру.

Ожидается, что термоядерный синтез сможет удовлетворить потребности человечества в энергии на миллионы лет. Термоядерного топлива много, и оно легкодоступно: дейтерий можно недорого извлечь из морской воды, а тритий можно получить из природного лития. Будущие термоядерные реакторы не будут производить высокоактивные долгоживущие ядерные отходы, а расплавление термоядерного реактора практически невозможно.

Важно отметить, что ядерный синтез не выбрасывает в атмосферу углекислый газ или другие парниковые газы, и поэтому наряду с ядерным делением может в будущем сыграть роль в смягчении последствий изменения климата в качестве низкоуглеродного источника энергии.