В центре Солнца из ядер обычного водорода сначала образуется его тяжелый изотоп дейтерий, из которого в ходе серии дальнейших реакций рождается гелий. Масса ядра гелия на 0,7% меньше массы ядер водорода, из которых оно образовалось. По формуле Эйнштейна Е = mc2 эта разница в массе превращается в энергию. Вот эту энергию мы и получаем от Солнца в виде света и тепла.

Но процесс синтеза идет очень медленно. Особенно первый его этап, когда два ядра водорода сливаются в ядро дейтерия. Характерное время этой реакции исчисляется миллиардами лет. Поэтому удельная мощность термоядерных реакций в центре Солнца, как ни странно, совсем невелика — около 200 Вт/м3. Примерно в таком же темпе выделяется энергия в теле человека. Лишь за счет гигантских размеров солнечный термоядерный реактор производит поток энергии, достаточный для поддержания жизни на нашей планете.

Для земной энергетики мощности 200 Вт/м3, конечно, абсолютно недостаточно. К счастью, можно обойтись без самой медленной реакции — синтеза дейтерия, поскольку он существует на Земле в готовом виде. По одному его ядру приходится на 6700 ядер водорода. В каждом кубометре воды содержится 110 килограммов водорода и 33 грамма дейтерия. Казалось бы, немного, но если этот дейтерий сжечь в термоядерных реакциях, выделится столько же энергии, как при сгорании 200 тонн бензина. Так что запасы термоядерного топлива на Земле легко доступны и неисчерпаемы.

Условия синтеза

Для получения энергии на основе управляемого термоядерного синтеза нужно выполнить три условия. Во-первых, требуется чрезвычайно высокая температура. В центре Солнца она составляет около 15 миллионов градусов. На Земле, чтобы увеличить мощность термоядерных реакций до практически полезного уровня — хотя бы до 1000 Вт/м3 — температуру нужно поднять до сотен миллионов градусов. Это и есть первое и главное условие управляемого термоядерного синтеза.

Во-вторых, в реакции должно участвовать достаточно много частиц — выход энергии растет как квадрат плотности топлива. Но вместе с температурой и плотностью увеличивается давление, и удерживать горячую плазму от расширения становится все труднее. Отсюда третье основное условие: время ее удержания должно быть достаточным, чтобы выделившаяся в ходе реакции энергия превысила затраты на нагрев и удержание плазмы.

Из всех термоядерных процессов самые скромные требования к температуре у реакции дейтерия (D) с тритием (T) — «всего лишь» 100 миллионов градусов. На языке ядерной физики эта реакция записывается так:

D + T [?]> 4He + n.

Продукты реакции — ядро гелия-4 (4He) и нейтрон (n) — приобретают энергию соответственно 3,5 и 14,1 миллиона электронвольт (1 эВ = 1,6 .10–19 Дж). Для сравнения: при температуре в 100 миллионов градусов ядра, вступающие в реакцию, имеют энергию, эквивалентную всего лишь 10 000 электронвольт. Так что энергетический выигрыш получается огромный.

Итак, нам нужны дейтерий и тритий. Дейтерий можно добывать из воды, а вот с тритием проблема — он неустойчив, и период его полураспада составляет всего лишь 12 лет. Поэтому на Земле трития практически нет, и его придется создавать искусственно, облучая нейтронами литий. Это можно делать прямо в стенках реактора за счет нейтронов, выделяющихся в процессе термоядерного синтеза. Разведанных запасов лития на суше около 11 миллионов тонн — достаточно, чтобы 3000 лет поддерживать современный уровень производства энергии на Земле. Конечно, литий нужен и для других целей, но при необходимости его можно извлекать из морской воды — там его запасы в 20 000 раз больше. Так что проблем с обеспечением термоядерной энергетики топливом в обозримой перспективе не будет.

Струи солнечной плазмы движутся по дугам вдоль силовых линий магнитного поля. Фото: NASA/TRACE

Четвертое состояние вещества

При нагревании все вещества сначала плавятся, потом испаряются и, наконец, переходят в состояние плазмы: молекулы распадаются на атомы, атомы ионизируются, и образуется смесь положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Движение заряженных частиц порождают электрические и магнитные поля, которые влияют на траектории соседних частиц. Поэтому частицы в плазме двигаются согласованно, что отличает ее от обычного газа из электрически нейтральных молекул и делает поведение плазмы чрезвычайно сложным.

Проблема с нейтронами

Однако, помогая получать тритий, нейтроны одновременно создают ряд технических проблем. Во-первых, они вызывают в стенках реактора наведенную радиоактивность. И хотя она в сотни раз меньше, чем в продуктах деления урана на обычных АЭС, требуется тщательно подбирать состав материалов для камеры реактора и контролировать содержание в них примесей, чтобы избежать рождения опасных медленно распадающихся радиоактивных ядер.

Кроме того, нейтронное облучение снижает прочность конструкционных материалов. Энергичные нейтроны выбивают атомы из кристаллической решетки и образуют в твердом теле множество микроскопических каналов. Материал становится рыхлым. Прочность его резко падает. Так что стенки реактора, подверженные облучению нейтронами, придется периодически заменять. Делать это должны специально сконструированные роботы.

Избавиться от нейтронов и связанных с ними проблем позволяют другие термоядерные реакции. Например, если вместо трития использовать легкий изотоп гелия (3He) то ни среди исходных веществ, ни среди продуктов реакции не будет ничего радиоактивного:

D + 3He −> 4He + H.

Правда, небольшое число нейтронов будет все-таки рождаться при взаимодействии между ядрами дейтерия. Возможно, в будущем именно эта реакция станет

основой термоядерной энергетики. Но для нее нужна почти в 10 раз более высокая температура, которой пока еще никто не достиг. К тому же гелия-3 на Земле практически нет — считанные килограммы в год выделяются из природного газа некоторых месторождений. Добывать его можно на Луне, куда он попадает в составе солнечного ветра и накапливается в верхних слоях грунта. Завоз на Луну горнодобывающей техники, строительство поселка для рабочих, производство ракет для доставки гелия на Землю — все это окупается стоимостью электроэнергии! Так что проект вполне реалистичен. Но первый реактор и первые термоядерные электростанции будут все-таки использовать реакцию дейтерия с тритием.

Ну и в совсем уж далекой перспективе можно думать об использовании идеально чистой реакции бора с водородом:

11B + 1Н−> 3 4He.

Но для этого нужно уметь получать еще более высокую температуру.

Первая попытка

В 1951 году Сталин подписал постановление о начале работ по созданию термоядерной электростанции. Тогда казалось, что не так уж сложно заставить термоядерную реакцию, уже реализованную в водородной бомбе, протекать с гораздо меньшей скоростью. На это было отпущено всего два года, и назначена премия за успешный запуск термоядерного реактора. За короткое время были построены установки, в которых в газообразном дейтерии токами в сотни тысяч и миллионы ампер возбуждался разряд и получался очень похожий на молнию ярко светящийся шнур. Магнитное поле электрического тока сжимало шнур в тонкую нить, и по замыслу экспериментаторов в момент наибольшего сжатия могла получиться температура, необходимая для начала термоядерной реакции. Поэтому рядом с разрядом установили нейтронные счетчики, которые должны были зафиксировать этот момент. И они зафиксировали! Казалось, путь к термоядерной энергии открыт. А потом наступило разочарование. Выяснилось, что температура не доходит и до одного миллиона градусов, а наличие нейтронов вызвано побочными эффектами, не связанными с термоядерными реакциями. Результатом этих первых экспериментов стало осознание всей сложности проблемы управляемого термоядерного синтеза и истинного объема работы, которую предстояло сделать.