Новосибирским ученым из Института ядерной физики (ИЯФ) удалось нагреть плазму до 10 миллионов градусов по Цельсию, что превышает пороговую температуру начала реакции термоядерного синтеза.
Из школьного курса физики известно: чем выше температура вещества, тем быстрее двигаются атомы в его составе. Если нагреть вещество до температуры, измеряемой миллионами градусов Цельсия, атомы разгонятся до таких высоких скоростей, что они начнут сталкиваться своими ядрами между собой. Этот процесс и называется термоядерной реакцией. При столкновении ядра атомов слипаются между собой, тем самым образуя новое ядро более тяжелого атома.
Однако масса получаемого ядра оказывается меньше суммы изначальных масс ядер до столкновения. Исчезающая масса полностью превращается в энергию, количество которой рассчитывается с помощью знаменитой формулы Эйнштейна E=mc2: для этого нужно просто подставить в формулу массы ядер изначальных (m1) и конечного (m2) атома – массы атомных ядер указаны в таблице Менделеева, а скорость света – константа и равняется 299792458м/c.
Затем вычитая из энергий двух изначальных атомов энергию нового атома, мы узнаем точное количество энергии, высвобождающейся при столкновении:
Eреакции=2(m1c2) – m2c2
Этот процесс и называется термоядерной реакцией. Именно таким образом вырабатывают энергию любые звезды, в том числе и наше Солнце.
Основной проблемой, препятствующей повсеместной эксплуатации «реакторов будущего» уже сегодня – был и остается крайне низкий, зачастую отрицательный КПД современных термоядерных реакторов. Для того, чтобы запустить реакцию, требуются нагреть плазму до десятков миллионов градусов, тем самым разогнав атомные ядра в плазме до скоростей, достаточных для их столкновения между собой.
Фактически, энергии, которую термоядерный реактор способен добыть в ходе реакции добывается меньше, чем тратится на разгон атомов до нужных скоростей. Но ученые не собираются отказаться от идеи приручить и сделать достаточно эффективным физико-химический процесс, используемый даже самим Солнцем.
Когда ученым удастся перешагнуть пороговый барьер и создать термоядерный реактор, способный вырабатывать энергии больше, чем тратится на разогрев реакции – вся остальная энергия, в таком случае, сможет пойти на нужды человечеству.
К тому же идея самоподдерживающегося термоядерного реактора слишком соблазнительна умопомрачительной эксплуатационной выгодой – он будет экологически чист, не будет требовать особого топлива – он сможет работать, с любым веществом, которое будет разогрето достаточно, чтобы его атомы в плазменном виде сталкивались между собой, вырабатывая все новую и новую энергией. От людей потребуется только поддерживать его стабильную работу, следя за балансом термоядерной реакции, получая взамен неограниченное количество экологически чистой энергии.
Таким образом, ученые со всего мира не только продолжают экспериментировать с оптимальной конструкцией для термоядерного реактора, но и организовали целую технологическую гонку – чей реактор окажется эффективнее и выгоднее?
Российские ученые намерены создать конкурентную альтернативу нынешнему «флагману» – проекту экспериментального международного термоядерного реактора «ITER», строящегося во французском городе Кадараш и работающего на основе токамака.
Работая в рамках гранта Российского научного фонда, сибирским физикам удалось совершить прорыв в своих разработках, официально подтвердив результаты по нагреву плазмы до 10 миллионов градусов в ходе экспериментов на газодинамической ловушке.
По прогнозам директора ИЯФ Александра Иванова, температуру нагрева плазмы в дальнейшем планируется увеличивать еще в несколько раз – до 20-30 миллионов градусов. Хотя пороговая температура начала термоядерного синтеза уже достигнута и преодолена, еще больший нагрев плазмы значительно повысит эффективность самой реакции.
Есть и еще одна серьезная трудность в конструировании «искусственных Солнц»: ни один материал, известный науке не сможет удержать в себе перегретую до десятков миллионов градусов плазму: он мгновенно испарится, оказавшись рядом со столь горячей субстанцией.
Благо, ученые способны удерживать плазму любой температуры, пользуясь ее электрическими свойствами – сильные магнитные поля способны удерживать заряженные частицы в вакууме, из которых плазма, к счастью, и состоит. Конструкция магнитных удерживателей для плазмы, называемых магнитными ловушками – составляют большую часть стоимости всего термоядерного реактора.
В ИЯФ недавно разработали принципиально новый, многообещающий метод генерации плазмы в ловушки открытого типа посредством мощного микроволнового излучения. Хотя конструктивно такой метод фиксации плазмы дороже и сложнее, зато значительно обходит магнитные ловушки закрытого типа (например, токамак в «ITER») в показателях эффективности. А главное – они несравненно удобнее в эксплуатации.
По словам Александра Иванова, реактор нового типа будет создан в течение ближайших 20 лет и имеет все шансы по многим критериям обогнать международный проект «ITER».