Термоядрен синтез е процесът, при който две леки атомни ядра се комбинират, за да образуват едно по-тежко ядро, освобождавайки огромно количество енергия. Реакциите на термоядрен синтез протичат в агрегатно състояние на материята, наречено плазма, горещ зареден газ, съставен от положителни йони и свободно движещи се електрони, който има уникални свойства, различни от тези на твърди вещества, течностите или газовете.
Слънцето, както и другите звезди, излъчва енергия именно чрез тази реакция. За да се случи сливането на ядрата вътре в Слънцето, те трябва да се сблъскат едно с друго при изключително висока температура, около десет милиона градуса по Целзий. Високата температура им дава достатъчно енергия, за да преодолеят взаимното си електрическо отблъскване.
След като ядрата го преодолеят и са на много близко разстояние едно от друго, ядрената сила на привличане между тях надделява над силата на отблъскване и им позволява да се слеят. За да се случи това, ядрата трябва да са в затворено пространство, което увеличава шанса за сблъсък. Идеалните условия за термоядрен синтез на Слънцето се осигуряват от колосалното налягане, създадено от мощната гравитация.
Защо учените изучават термоядрените процеси
Откакто теорията за ядрения синтез е формулирана през 30-те години на миналия век, много учени като Ханс Бете, Пьотр Капица и Игор Там, а наскоро и много инженери от цял свят, се стремят да възпроизведат и контролират този процес. Това се дължи на факта, че ако ядреният синтез може да бъде стартиран на Земята и приложен в индустриален мащаб, тогава той може да осигури почти неограничено количество чиста, безопасна и достъпна енергия за задоволяване на нуждите на света.
Термодреният синтез е в състояние да генерира четири пъти повече енергия на килограм гориво от ядреното делене (използвано в атомните електроцентрали) и почти четири милиона пъти повече енергия от изгарянето на нефт или въглища.
Повечето от разработваните концепции за термоядрени реактори включват използването на смес от деутерий и тритий, водородни атоми, съдържащи допълнителни неутрони. Теоретично, като използвате само няколко грама от тези реагенти, можете да получите тераджаул енергия - това количество енергия за един жител на развита страна може да бъде достатъчно за около шестдесет години.
Термоядреното гориво е широко разпространено и лесно достъпно: деутерий може да бъде извлечен от морска вода без необходимост от скъпа технология, а тритий може потенциално да бъде произведен чрез реагиране на неутрони, генерирани от синтез с литий, който е широко достъпен в природата. Тези запаси от гориво ще стигнат за милиони години. Освен това бъдещите термоядрени реактори са по своята същност безопасни и не се очаква да генерират високоактивни или дълготрайни ядрени отпадъци.
Освен това, тъй като процесът на синтез е труден за стартиране и поддържане, няма риск от верижна реакция и разтопяване на реактора; термоядреният синтез може да се случи само при строги условия на работа, извън които (например в случай на авария или повреда на системата) плазмата естествено ще се охлади, ще загуби енергията си много бързо и ще изчезне, преди да бъдат нанесени значителни щети на реактор.
Важно е да се отбележи, че ядреният синтез, подобно на ядреното делене, не освобождава въглероден диоксид и други парникови газове в атмосферата, така че може да се превърне в дългосрочен източник на нисковъглеродна електроенергия през втората половина на този век.
По-горещ от слънцето
На Слънцето естествено се създават условия за термоядрен синтез поради мощната гравитационна сила, но без тази сила е необходима дори по-висока температура, отколкото вътре в Слънцето, за да започне реакцията. На Земята синтезът на деутерий и тритий изисква температура от над 100 милиона градуса по Целзий и в същото време налягането и магнитните сили трябва да се контролират, за да се гарантира, че плазмата се поддържа стабилна и че реакцията на синтез се поддържа достатъчно дълго, за произвежда повече енергия, отколкото е необходима за това.
Въпреки че условия, много близки до тези, необходими за термоядрения реактор, сега рутинно се възпроизвеждат в експерименти, все още са необходими подобрения в задържането на плазмата и стабилността, за да се поддържа реакцията и да се произвежда енергия по устойчив начин. Учени и инженери по целия свят продължават да разработват и тестват нови материали и технологии за производство на чиста термоядрена енергия.
Коментари