Что такое термоядерный синтез? Почему над ним работают все страны мира? Какие есть проблемы и достижения в разработке термоядерных реакторов нового типа?
В то время как промышленность продолжает использовать солнечную, гидро- и геотермальную энергию для решения мировых энергетических проблем, многие исследователи считают, что конечным источником неограниченной чистой энергии станет ядерный синтез.
Термоядерные реакторы воспроизводят энергию и процессы похожие на те, что происходит в Солнце, создавая плазму внутри управляемого устройства.
Это устройство, в свою очередь, сможет использовать полученное тепло, для превращения энергии в электричество.
Пара частных фирм, одна рядом с Массачусетским технологическим институтом, а другая в Англии, разрабатывают нечто, что можно было бы описать как “портативный” термоядерный реактор, используя сверхредкие минералы и очень мощные магниты (одни из самых сильных, из когда-либо созданных).
Если эти компании смогут решить сложные технологические проблемы, то можно было бы отказаться от добычи угля и нефти, не было бы риска появления очередной Фукусимы, а существенная неэффективность возобновляемых источников энергии могла бы быть забыта
А все инженеры и технологи, занимающиеся в сопутствующих отраслях, смогли бы использовать свои таланты в других областях экономики.
Сжатие и гравитация
В отличие от других физических уравнений, теория термоядерного реактора на самом деле довольно проста в объяснении. Атомы водорода попадают в реактор, огромное давление заставляет их «плавиться» и превращаться в гелий. Часть массы водорода преобразуется в тепло, которое может быть использовано для выработки электроэнергии. Казалось бы просто…
Трудность связана с самим процессом. Чтобы на Земле произошел термоядерный синтез, ученые должны нагреть изотопы водорода до сотен миллионов градусов, после чего они распадаются и образуют плазму.
Солнце имеет собственное гравитационное поле, которое удерживает плазму внутри. Tokamak Energy и другие фирмы планируют контролировать плазму с помощью супер мощных магнитов.
В этом и заключается проблема: как построить устройство, которое может нагреть и удержать материю в таких экстремальных условиях, и чтобы оно не потребляло энергии больше, чем генерирует?
В течение пяти лет Грэг Бриттлс (ученый из Tokamak Energy) смог разработать серию мощных магнитов, обернутых слоями сверхпроводящей ленты, которые будут расположены в сферической или термоядерной камере, называемой токамаком (если верить Вики, то это тороидальная камера с магнитными катушками).
Когда магнитные силы взаимодействуют друг с другом, давление в камере возрастает до невероятного уровня — примерно в два раза больше, чем в самом глубоком месте океана. Сверхпроводящая лента позволяет получить огромное количество энергии из токамака, позволяя реактору вырабатывать больше, чем он потребляет.
Другая компания — Commonwealth Fusion Systems (CFS) — разрабатывает технологию, похожую на идею Тони Старка. Мощные магниты обернуты 300 килограммами сверхпроводящей ленты, изготовленной из оксида иттрия-бария-меди.
Разработка этой ленты заняла десятилетия, и при охлаждении до 253 °C, для чего раньше требовался холодильная установка размером с дом, она проводит и выдерживает силу тока в 40 000 ампер.
Эта команда исследователей и разработчиков может похвастаться тем, что их реактор сможет превратить стакан воды в эквивалент энергии, необходимой одному человеку на протяжении всей жизни.
ситуация с термоядерным синтезом на сегодня
Государственное финансирование и раньше шло на термоядерные реакторы. На самом деле — это десятки миллиардов долларов, но до сих пор это не решило фундаментальных проблем.
Например, международный исследовательский проект по ядерному синтезу ITER, который финансируется десятками стран, на несколько лет отстает от графика.
Огромное устройство из металла и магнитов, строящийся во Франции несколькими странами, возможно, когда—нибудь сможет производить термоядерный синтез.
Однако, это будет стационарная электростанция, сложная в обслуживании. Для её строительства требуется большое количество редкоземельных минералов, и она, естественно, будет полностью неподвижена.
Не говоря уже о том, что человечеству, возможно, потребуется больше одного такого реактора.
Как бы это не было странно, но частные компании пока продвинулись намного дальше в создании относительно небольшого реактора термоядерного синтеза.