Деление и синтез ядер

Деление ядра

Когда медленный нейтрон попадает в ядро урана-235, оно может расколоться на два осколка среднего веса — этот процесс сопровождается высвобождением двух-трёх новых нейтронов и огромного количества энергии. Поскольку ²³⁵U находится за максимумом энергии связи, приходящимся на железо, возникающие осколки связаны прочнее, чем исходное ядро — разница высвобождается в виде энергии.

Поскольку при каждом делении образуется несколько новых нейтронов, способных расщепить другие ядра, может возникнуть самоподдерживающаяся цепная реакция — контролируемая в ядерном реакторе, неконтролируемая в ядерном оружии. Чтобы реакция не прерывалась, необходимо определённое минимальное количество делящегося материала: критическая масса.

Термоядерный синтез

На другом конце кривой энергии связи находится синтез: когда два лёгких ядра, например дейтерий (²H) и тритий (³H), сливаются в гелий, образующееся ядро связано прочнее, чем оба исходных ядра вместе взятые — и снова разница высвобождается в виде энергии, причём в расчёте на один нуклон даже заметно больше, чем при делении.

Проблема в том, что оба ядра несут положительный заряд и электростатически отталкиваются друг от друга. Лишь при температурах в несколько десятков миллионов градусов — как в недрах Солнца или в термоядерном реакторе — ядра движутся достаточно быстро, чтобы некоторые из них преодолели кулоновский барьер (при некоторой помощи со стороны квантово-механического туннельного эффекта). Именно трудности с решением этой проблемы — причина, почему управляемый термоядерный синтез на Земле до сих пор не стал коммерчески применимым.

E = mc² в сравнении

И деление, и синтез высвобождают в виде энергии крошечный дефект массы — но в масштабе, который затмевает любую химическую реакцию: один килограмм урана-235 при полном делении даёт примерно столько же энергии, сколько два-три миллиона килограммов угля при сжигании.

Электростанция против термоядерного реактора

При температуре свыше 100 миллионов градусов не существует уже ни твёрдого, ни жидкого топлива — есть только плазма — газ из свободных, электрически заряженных атомных ядер и электронов. Ни один известный материал не смог бы образовать стенку сосуда, выдерживающую такую температуру при непосредственном контакте; любое прямое соприкосновение мгновенно охладило бы плазму и испарило бы стенку. Решение использует именно электрический заряд плазмы: заряженные частицы могут двигаться почти свободно вдоль силовых линий магнитного поля, но крайне неохотно — поперёк них, поскольку сила Лоренца заставляет их двигаться по тесным спиральным траекториям вокруг этих линий. Если изогнуть силовые линии так, чтобы они образовывали замкнутые кольца — например, в форме тора (формы пончика), — плазма может циркулировать по этим траекториям, ни разу не коснувшись стенки — невидимая «магнитная бутылка». Для этого нужны гигантские, как правило сверхпроводящие, магнитные катушки, расположенные вокруг вакуумной камеры и создающие поля напряжённостью в несколько тесла — в десять–сто тысяч раз сильнее земного магнитного поля.

Технически для такого магнитного удержания утвердились два разных конструктивных решения: в токамаке — само слово представляет собой русскую аббревиатуру «тороидальная камера с магнитными катушками» — кольцеобразно расположенные катушки вместе с электрическим током, индуцированным в самой плазме, создают необходимое магнитное поле; конструкция сравнительно проста и симметрична, но требует тока плазмы, который можно поддерживать лишь импульсно. Международный исследовательский реактор ITER на юге Франции, крупнейший на сегодняшний день экспериментальный термоядерный реактор в мире, построен именно по этому принципу.

Стелларатор, напротив, обходится без индуцированного тока плазмы и создаёт необходимое скрученное магнитное поле исключительно за счёт сложно изогнутых, трёхмерно закрученных катушек — технически значительно более сложных в изготовлении и расчёте, зато в принципе пригодных для непрерывной работы. Институт Макса Планка (Германия) эксплуатирует в Грайфсвальде крупнейший в мире стелларатор Wendelstein 7-X.

Вид сверху на токамак: плазма циркулирует внутри тора, удерживаемая магнитными катушками; заряженные частицы почти не могут покинуть силовые линии и вместо этого движутся по спирали вокруг них.

Совершенно иным путём идёт инерциальный термоядерный синтез: вместо магнитных полей здесь предельно мощные лазеры, как на объекте National Ignition Facility (NIF) в США, в течение нескольких наносекунд фокусируют свою энергию на крошечной топливной капсуле, мгновенно сжимая и нагревая её со всех сторон так, что синтез зажигается прежде, чем материал успевает разлететься — благодаря этому в 2022 году NIF впервые достиг чистого выигрыша энергии именно из самой реакции синтеза — по отношению к энергии лазера, доставленной к мишени. Помимо этого, всё активнее собственные, порой гибридные технические подходы разрабатывают и частные компании, такие как Commonwealth Fusion Systems (компактные токамаки с сильным полем на высокотемпературных сверхпроводниках) или Helion Energy (импульсный, намагниченный инерциальный синтез), стремясь реализовать коммерческие термоядерные электростанции быстрее, чем государственно финансируемые исследования.