Синтез
При слове синтез у меня в голове всплывает PоE, но сейчас я хотел рассказать о другом. С 1951г. ученые пытаюсь воссоздать реакции, протекающие на солнце, а именно- превратить водород в гелий. Этот процесс получил название управляемый термоядерный синтез (УТС): значит, что он идет при высоких температурах и в его процессе происходит слияние легких ядер (водорода) в более тяжелые (гелий) с выделением энергии. То, что он управляемый, тоже имеет большое значение, т.к. неуправляемый уже осуществлён и имя ему - водородная бомба.
В 1956 году Игорь Васильевич Курчатов (Советский физик, возглавлял работы по созданию атомной и водородной бомбы) выступил в Харуэллском атомном центре. Он рассказал об экспериментах, в которых пытались получить мирную энергию на основе процессов, протекающих в водородной бомбе. США и Англия воодушевились и начали проводить свои эксперименты.
Источником энергии является энергия связи протонов и нейтронов внутри ядра. При соединении легких ядер дейтерия в гелий, выделяется энергия. В тоже время масса полученного вещества становится меньше массы используемого вещества за счет выделения этой самой энергии.
Данный реактор имеет ряд преимуществ перед любым доступным методом получения энергии:
1.Это отсутствие затрат природных ресурсов, запасы которых, в большинстве своём, ограничены сотнями лет потребления. В реакторе же используется водород (дейтерий) и литий, которых хватит примерно но 100-300 млн лет.
2. Это экологичность. Станция не выделяет никаких опасных веществ. Единственная опасность- наведенная радиация, представленная нейтронами. Но это обходят конструктивной частью самой станции и опасности нет.
3. Безопасность. В реакторе присутствует очень мало вещества, энергии не хватит, чтобы в случае ЧП произошел хоть сколько-нибудь опасный взрыв.
Первая сложность в получении энергии при синтезе - сила электрического отталкивания. Попробуйте взять 2 магнита и начать их сближать одинаковыми полюсами. Тоже самое происходит и с ядрами. Протоны внутри ядер, имеющие положительный заряд, не очень хотят соединяться, отталкиваются друг от друга. Для того, чтобы заставить их соединиться, нужна энергия (чуть больше), определяемая законом Кулона: E=k*((q1*q2)/r). Е-требуемая энергия, q1 и q2 два ядра с зарядами, k- постоянная (=9*10^9) и r - расстояние, на которое сближаемся. Нам нужно сблизиться хотя бы на расстояние r = 10^(-14) метра. Дальше происходит притяжение ядер, вызванное ядерными силами, которое больше сил отталкивания. Происходит слияние и получается энергия.
Для того, чтобы преодолеть отталкивания ядер водорода нужно затратить энергию 0.15 МэВ (мегаэлектронвольт) или же просто нагрев водород до температуры 1.6*10^9 К (кельвин). Для гелия же нужно уже 0.3 МэВ, для лития 0.5 МэВ. И так до железа. Дальше энергия, получаемая от синтеза будет падать, там выгодно наоборот - деление ядер.
Итак, из всего вышеизложенного вышла первая концепция реактора: взять пучок ядер, разогнать их и пустить в мишень. Чтобы не терялась энергия, сначала пускали в ионизированную мишень. Потом нашли способ лучше: убрали пучок, создали плазму высокой энергии и в неё ввели нужное нам для синтеза вещество. И возникла проблема.
Для работы реактора, нужна плазма, температура которой сотня миллионов градусов. Чтобы удержать это вещество, способное прожечь любой материал, нужно мощное магнитное поле. Проще говоря, мы запускаем плазму в поле достаточной мощности, ток бежит по поверхности плазмы. Создается сила, направленная со стороны внешнего магнитного поля внутрь плазмы. Она сдавливает плазму не давая ей уйти. Кроме того, важно еще и время удержания плазмы, а также её энергии. Оно должно быть не менее 0.1 секунды чтобы успеть получить энергию, превосходящую ту, что мы затратили на разогрев и прочие работы, т.е. чтобы выйти в плюс.
Кроме того, плазма должна быть в устойчивом состоянии. Т.е. если что либо выводит её из положения равновесия, нужно, чтобы возникла противодействующая сила, которая вернёт её в это самое положение равновесия. Изначально, реактор теоретически представлялся как плазменный шнур в магнитном поле, по поверхности которого течёт электрический ток. Но оказалось, что колебания плазмы заставляют её взаимодействовать со стенками удерживающей среды. Плазма загрязнялась кремнием, кислородом и прочими элементами обшивки, в которой она жила (это было названо неустойчивостью плазмы). В чем суть? А вот в чем: из за колебаний, в какой то момент времени плазменный шнур в каком-то месте становился тоньше, чем весь шнур целиком.
А мы помним, что на шнур действует магнитное поле, а в противовес ему действуют силы самого шнура. Поскольку магнитное поле тока обратно пропорционально радиусу шнура, в месте утончения величина магнитного поля становилась больше. Как будто вы сжали шланг, хех. И шнурок плазмы разрывался. Устранить это были призваны магнитные ловушки, но поначалу ничего не получилось, т.к. время жизни плазмы в ловушке оказалось низким, и, кроме того, на участках со спадающей индукцией (от горлышка ловушки к центру индукция падала) плохо влияли на устойчивость плазмы. Это было названо желобковой неустойчивостью.
И придумали следующее: магнитное поле нарастало от оси плазменного шнура к его окраине. Т.е. чем становился шнур тоньше, тем меньшее магнитное поле на него действовало в этом месте.
Далее придумали использовать датчики, которые воспринимали колебания плазмы и на основании полученных данных меняли поле, подавляя и усиливая колебания плазмы. Это было названо методом обратной связи.
Далее начали решение проблемы с временем удержания энергии плазмы, пытаясь достигнуть заветной 1 секунды. Потери энергии пытались сократить увеличением количества ловушек, ставя их одну за другой. Но мало помогло. И тогда придумали замкнутую ловушку или бублик или тор.
Данную конструкцию используют сейчас в виде токамака. Он служит для борьбы с торроидальным дрейфом за счет движения тока по плазме.
Воот. Не стал подробно рассматривать всю историю изобретения винтовые обмотки, дивертор и прочее. Надеюсь я раскрыл историю данного вида реакторов наших потомков. Позже расскажу о сменивших данные реакторы реакторы на антиматерии, где встречаются протоны и антипротоны с выделением энергии. Первый реактор на данной технологии был построен не так давно, в 2116 году. Но об этом потом.