Чому для термоядерної реакції необхідна гаряча плазма?
Привіт, у першій частині ми обговорили, як можна отримати енергію шляхом злиття двох ядер. Для цього, як приклад, була обрана реакція D-T (дейтерій-тритій) У цій частині ми зосередимося на тому, як змусити таку реакцію відбутися, а це далеко не непросто. Оскільки D і T мають по одному протону, вони мають позитивний заряд. Однакові заряди відштовхують, тому якщо ви надішлете пучок дейтронів у мішень з тритієм, вони не захочуть з’єднатися, поки ми не створимо енергію зіткнення більше ніж 280 кеВ. Цей поріг називається бар’єром Кулона.
Так, синтез дейтерій-тритій з використанням лезерних пучків з енергією близько 60 кеВ можливий, але виявляється, що енергія, вироблена в цьому випадку, не буде достатньою для покриття енергії, необхідної для створення зіткнення. Хоча і сьогодні деякі спроби все ж існують, як, наприклад, “Helion Energy”, надалі немає жодної фізичної теорії, яка б доводила можливість позитивного енергетичного виграшу у даному випадку.
Але є одна теорія, яка точно визначає можливість створення реакції синтезу з позитивною кінцевою енергією. Основна ідея полягає в тому, щоб нагріти водневий газ, наполовину у вигляді дейтронів і наполовину у вигляді ядер тритію, до такої високої температури, щоб виникли випадкові зіткнення з високою енергією, що призведе до реакції синтезу. Водночас енергія “невдалих” зіткнень не втрачається, оскільки використовується для підтримки газу в гарячому стані.
Такий гарячий газ називається плазмою. Згідно з теорією, можливо створити такі умови, що вигенерована енергія синтезу буде достатньою для підтримки високої температури газу та створення надлишковаої енергії. Це той самий процес, який відбувається всередині Сонця.
На даному етапі важливо визначити, що означає “гарячий”. Коли газ має температуру, це означає, що швидкості молекул розподілені певним чином, відомим як гаусівське (або максвеллівське) розподілення. Нижче наведена така крива, що представляє відносну кількість іонів водню з різними швидкостями в газі при температурі близько 10 000 K. Швидкість тим вищи – чим вища температура.
“Хвіст” — це кінець кривої, де є кілька частинок з достатньою енергією для синтезу. Підвищуючи температуру, ми можемо впевнитися, що буде достатньо іонів D і T для їх спільного злиття.
Виникає розумне питання: якою ж має бути температура?
Для термоядерних реакторів потрібні температури газу понад 100 000 000 K. Вражаюче, чи не так?
Очевидно, що жоден твердий матеріал не може витримати таку температуру, тому ми не можемо утримувати плазму в стінах. Єдиний спосіб, яким ми можемо це зробити, — це використати деякі з відомих нам “невидимих” сил, таких як:
- гравітація
- електрика
- магнетизм
Сонце виробляє енергію синтезу, утримуючи плазму в своєму ядрі величезним гравітаційним полем. Ми не можемо зробити цього на Землі, оскільки наша гравітація занадто слабка, і ми не здатні її формувати (принаймні поки що).
Це залишає електрику та магнетизм. Ми можемо створювати сильні електричні поля, але це не спрацює. Чому?
Річ у тому, що при високих температурах газ більше не нагадує газ, з яким ми знайомі — молекули розпадаються, а атоми іонізуються. Нижче наведено малюнок, що показує, якою є ця нова форма газу.
Позитивні іони — це маленькі (сині) крапки. Їм додані хвости, щоб показати, що вони рухаються в випадкових напрямках. Великі об’єкти — це електрони, які забезпечують негативні заряди для підтримки квазінейтральності плазми. В результаті ми маємо суміш “потоків” позитивних іонів та негативних електронів.
Така заряджена суміш називається плазмою. Загальний заряд плазми нейтральний, але через існуючі електричні поля всередині вона не є “точно” нейтральною. Електричні поля створюють невеликий дисбаланс, саме тому такі гази називають “квазінейтральними”. Якщо б не цей невеликий дисбаланс, реакція синтезу не була б проблемою, але, на жаль, це не так.
Поведіка плазми є надзвичайно складною, і зусилля виробляти енергію з використанням реакції синтезу призвели до виникнення цілком нової науки – “фізики плазми”.
Повертаючись до використання електрики як сили для утримання плазми, це неможливо, оскільки електричне поле буде тягнути іони в один бік і штовхати електрони в інший бік. Така сила буде розділяти плазму, а не об’єднувати її.
Це залишає магнітні поля. Основна мета “гри” полягає в тому, щоб створити магнітну герметичну пляшку для утримання плазми. Але протягом останніх 50 років ніхто не зміг зробити це до кінця. Усі магнітні пляшки протікають. Закриття однієї дірки виявляє іншу, яку ніхто раніше не бачив. Проте вчені вже досягли прогресу. Ми, як людство, вже здатні утримувати плазму в “магнітних рукавичках” протягом кількох хвилин. Здається, світло в кінці тунелю вже видно.
У наступній статті ми поговоримо про те, як саме ми можемо спроектувати магнітне поле, так, щоб ув’язнити в ньому плазму і чи безпечно це. Підпишіться на нашу розсилку, щоб залишатися в курсі та бути першими, хто дізнається про публікацію.
Дякую за увагу, Lumin Hopper
