Солнце не горит в обычном смысле: его свет поддерживает слияние лёгких атомных ядер. В центре звезды чудовищные давление и температура позволяют протонам сближаться, несмотря на электрическое отталкивание. На Земле гравитацию звезды заменить нечем, поэтому экспериментаторы нагревают разреженное топливо до состояния плазмы и пытаются удержать его достаточно горячим, плотным и изолированным достаточно долго.
Эта фраза скрывает главную трудность управляемого термоядерного синтеза. Отдельную реакцию получить можно. Задача энергетики — организовать устойчивую систему, которая даёт полезную энергию, снабжает себя топливом, выдерживает поток быстрых нейтронов и работает экономически приемлемо.
Откуда берётся энергия
Наиболее доступной для земных установок считается реакция дейтерия и трития — тяжёлых изотопов водорода. Их ядра сливаются, образуя ядро гелия и нейтрон. Суммарная масса продуктов немного меньше исходной; разница переходит в энергию согласно связи массы и энергии. Заряженное ядро гелия остаётся связанным магнитным полем и может поддерживать нагрев плазмы, а нейтрон уносит большую долю энергии наружу.
Дейтерий присутствует в воде. Тритий радиоактивен, короткоживущ и в природе почти не накапливается, поэтому будущая дейтерий-тритиевая установка должна производить его из лития в окружающем плазму бланкете. Этот топливный цикл ещё предстоит продемонстрировать в масштабе электростанции.
Для слияния ядрам нужно достаточно часто сталкиваться с большой энергией. При температуре в десятки и сотни миллионов градусов вещество полностью ионизовано. Ни одна стенка не может напрямую удерживать такую плазму. В токамаке её направляют магнитными полями по тороидальной — похожей на бублик — камере.
Почему плазма стремится вырваться
Магнитное удержание не похоже на герметичную банку. Плазма проводит ток, создаёт собственные поля, колеблется и развивает неустойчивости. Частицы и тепло постепенно уходят поперёк магнитных поверхностей. Инженеры управляют формой плазменного шнура, нагревают его пучками нейтральных атомов и радиоволнами, отводят примеси и тепло через дивертор.
Другой путь: короткое сжатие мишени
При инерциальном синтезе маленькую мишень быстро сжимают лазерами или другими драйверами; реакции происходят прежде, чем вещество успевает разлететься. Магнитное и инерциальное удержание достигли важных физических результатов, но экспериментальный энергетический выигрыш в части установки ещё не равен готовой электростанции. Нужно учитывать энергию лазеров, магнитов, криогеники, насосов и всех вспомогательных систем, затем преобразовать тепло в электричество и обеспечить повторяемую работу.
Чем синтез отличается от деления
В современном ядерном реакторе тяжёлое ядро делится; в термоядерной реакции лёгкие ядра соединяются. Плазма синтеза не поддерживает цепную реакцию того же типа: потеря необходимых условий быстро гасит процесс. Это снижает риск некоторых аварийных сценариев, но не делает установку безрисковой.
Быстрые нейтроны повреждают материалы и активируют элементы конструкции. Тритий требует строгого учёта и герметичности. Компоненты около плазмы испытывают огромные тепловые нагрузки, а после эксплуатации часть материалов становится радиоактивной. Ожидается, что отходы будут отличаться от долгоживущего отработанного топлива реакторов деления, однако их объём и обращение зависят от выбранных материалов и конструкции.
ITER строится как крупный международный эксперимент для изучения горящей плазмы и интеграции технологий; он не будет коммерческой электростанцией. Даже успешные эксперименты должны смениться демонстрационными установками, способными вырабатывать электричество и поддерживать топливный цикл. Поэтому термоядерная энергетика остаётся обоснованной инженерной целью, но обещание точного года, когда она станет массовой и дешёвой, пока выходит за пределы подтверждённых данных.