Це буде бомба

Нещодавно одна з дуже потайних компаній, Tri Alpha Energy, заявила про створення пристрою, здатного генерувати стійку хмару плазми з температурою близько 10 мільйонів градусів. Така температура необхідна для протікання термоядерної реакції, але, на жаль, поки недостатня. Дізнавшись про це, ми вирішили з'ясувати, які ще невеликі приватні компанії беруть участь у термоядерній гонці, і чи мають вони шанси обійти гігантів ITER і NIF.

Для початку треба розібратися з тим, що ж таке «керований термоядерний синтез». Як і будь-який синтез, цей процес передбачає змішування двох або більше компонентів для отримання третьої. Наприклад, у хімії, щоб отримати воду потрібно змішати кисень і водень, при цьому виділяється дуже багато енергії - при досить широкому спектрі умов цей процес може закінчитися вибухом. Але якщо керувати процесом горіння водню, то можна домогтися стійкого факела, що безперервно віддає тепло.

Так і тут, у термоядерному синтезі, відбувається злиття атомних ядер. Для того, щоб цей процес відбувся, потрібно домогтися декількох важливих умов. Перше - очистити атом від «шкірки», електронів і друге - домогтися температур і щільності, при яких ядра можуть стикатися між собою, незважаючи на електростатичне відштовхування. При досягненні цих вимог може відбутися запуск процесу злиття ядер, який як і реакція водню з киснем буде виробляти енергію - тільки в набагато більших кількостях.

Спробуємо оцінити температури, при яких може відбуватися ядерний синтез. Розгляньмо просту систему, нехай стикаються ядра дейтерія і тритія (ізотопи водню, у першого в ядрі один протон і один нейтрон, у другого один протон і два нейтрони). Кожне з них несе позитивний заряд, величиною в один заряд протона. Для того, щоб злиття ядер відбулося, необхідно зблизити їх на відстань порядку розмірів ядра - в такій ситуації електростатичне відштовхування (однакові заряди відштовхуються) між ними виявиться слабкіше, ніж сильна взаємодія, що прагне до злиття ядер.

Тоді для зближення двох частинок нам необхідно зробити роботу проти електричних сил - це енергія, яку можна розрахувати з формул шкільної фізики.

Підставимо у формулу необхідні величини:

Заряд кожного з ядер q - 1,6 ^{ст.1 10-}19 кулон. Константа k - 9 ^{^} 109 фарадей на метр Відстань r, дорівнює характерному розміру ядра ^{- 1}0-14 метра (10 фемтометрів)

У результаті ми отримуємо величину енергії, приблизно 2,3 10^-14 джоулів. Ця енергія може бути взята з кінетичної енергії ядер, пов'язаної з їх швидкостями. Чим гарячіше плазма, в якій знаходяться ядра, тим вона більша.

Екін = ³  2kT, де k - постійна Больцмана, 1,38  ¹0-23 джоулів на кельвін.

Зробивши необхідні підстановки, ми отримуємо, що для того, щоб термоядерний синтез міг початися хоча б для половини атомів плазми, її температура повинна досягти приблизно мільярда кельвінів. На цьому тлі досягнення Tri Alpha Energy виглядає вже не таким серйозним. Насправді, температура, необхідна для запуску такого термоядерного синтезу дещо менше - приблизно на порядок. Це пов'язано з тим, що для запуску реакції достатньо, щоб порівняно невеликий відсоток частинок досяг необхідної енергії - менше половини. Нагадаємо, що в газах швидкості частинок не рівні між собою - якісь з них можуть мати швидкість більше середньої, якісь менше.

Відзначимо ще один важливий момент: термоядерний синтез на Сонці йде при температурах набагато менших, ніж сотні мільйонів градусів - так, температура ядра Сонця оцінюється в 13,5 мільйонів кельвінів. Але в зірках механізм протікання реакції дещо інший, зокрема, в ній бере участь тунелювання ядер через кулонівський бар'єр. До того ж, якщо в хмарі плазми енергія половини частинок була б відповідної енергії термоядерної реакції, то сам синтез стався б практично миттєво.

У реакторах відіграють роль і інші параметри, пов'язані зі станом речовини, зокрема, час утримання плазми і концентрація частинок у ній. Твір цих величин, відомий як критерій Лоусона, має перевищувати певне, досить велике, критичне значення для підтримки реакції синтезу.

Фотографія: NASA

З цих арифметичних викладок з'являється елементарний наслідок: одні з головних проблем термоядерного синтезу - розігрів речовини до таких високих температур і утримання її. Атоми при цьому повністю позбавляються електронних оболонок і речовина переходить у стан плазми, що складається тільки із заряджених частинок. Саме завдяки цій властивості фізики навчилися утримувати її в спеціальних пристроях - токамаках. До речі, розроблені вони були радянськими фізиками, Ігорем Таммом і Андрієм Сахаровим.

Токамаки схожі на про