Термоядерный реактор

Дисклеймер: в статье присутствует циничная скептическая точка зрения, которая может нанести вред вашей психике и заставить матерно ругаться. Этого делать нежелательно, потому что на текущий момент матчасть статьи соответствует состоянию науки. Если в будущем что-то изменится - статья будет до/переписана.

Термоядерный реактор — это, как очевидно из названия, техническая приблуда, в которой происходит термоядерная реакция. Ничего интересного в нём нет, он просто красиво светится в темноте и жрёт энергию, как очень навороченная радиоактивная лампочка. Сделан сравнительно давно, именуется фузором Фарнсуорта.

Но. Вы же не это хотели прочесть, верно? Вы хотите знать, почему энергия, которую в избытке излучают звёзды, ещё не поставлена на службу человечества и пока что существует либо в виде термоядерных бомб, либо в виде энергозатратных фузоров? А ещё вам, наверное, интересно, почему физики от словосочетания «холодный термоядерный синтез» берут в руки что-нибудь тяжелое и начинают гоняться за сказанувшим? Итак, поехали.

Термоядерный реактор p+p

Простейшая, древнейшая и тупейшая реакция термоядерного синтеза — это протон-протонная реакция. Существует в древнейших звёздах, из-за чего они горят очень ярко и очень недолго (по космическим меркам). В ходе реакции протоны, представляющие собой ядра атомов водорода, сливаются в атом гелия и выделяют много энергии. Минусом процесса является водород — его нужно ну очень много (потому что реакция идет через слабое взаимодействие, и эта фигня неслабо так охлаждается потоком нейтрино, что в принципе, хорошо — нейтрино с материей почти не взаимодействуют, а с другой стороны плохо — предотвратить охлаждение ниже точки начала реакции мы не можем), так что в домашних условиях повторить эксперимент не удастся вообще никак.

Термоядерный реактор уровня «Звезда по имени Солнце»

Окей, давайте возьмем водорода чуть поменьше, гелия чуть-чуть побольше, добавим туда слоёнку из железа, кислорода, азота и углерода и попробуем запалить. То, что получилось в итоге, сильно смахивает на желтую звездочку, вокруг которой вращается наша планета. Плюсы: горит долго и стабильно, не очень ярко, но в целом годно. Минусы: в гараже такое не сделаешь, а конструктор оригинала секретами своей «лампочки Иеговы» делится отказывается и вообще шифруется так, что многие уверены в том, что его вообще никогда не существовало. Поэтому поехали дальше.

Термоядерный реактор на удержании плазмы

Как вы понимаете из предыдущих пунктов, основная проблема — взять очень большую фигню, по своим свойствам похожую на звезду, уменьшить её в масштабе и засунуть в ловушку, где её энергию можно невозбранно использовать для разных полезных действий. Поэтому, если не вдаваясь в подробности, учёные просто взяли более тяжелые атомы, накачали их энергией до состояния плазмы, засунули в магнитную ловушку и попытались начать реакцию. Провал. Стеллараторы и токомаки — это устройства, позволяющие более-менее моделировать процессы, проходящие во внешней оболочке звезд. Засада в том, что для реакции нужна вся звезда целиком, иначе нифига не выйдет. Вам интересны подробности? Вы возможно уже читали о проблемах управляемой термоядерной реакции и слышали про критерий Лоусона (озвученный в 1955 году), но в силу нехватки знаний, видимо, не поняли в чём тут проблема. Я здесь как раз за тем чтобы объяснить.

И так, мысленный эксперимент, который мы обзовём, скажем, «Дробовик Визарда». Когда-то давно была атомная бомба, работающая на схлопывании двух кусков урана, типа как если бы два урановых снаряда, выпущенных из пушки, влепились друг в друга и получился бы атомный взрыв. По сути для термоядерной реакции нужно примерно то же самое, вот только вместо артиллерийских орудий у нас два дробовика. В роли дроби — частицы. Итак, в чем заключается критерий Лоусона: энергия, выделяющаяся при реакции слияния дробинок должна быть выше энергии, потраченной на выстрел этих дробинок, иначе нифига не получится. В чем проблема? Ну, если в случае с ураном всё просто — два 152-мм снаряда обладают довольно большим сечением и попасть ими друг в друга не так уж и сложно даже с некоторой дистанции, то вот с дробью всё куда хуже — дробинки летят не плотным комом а облаком, и шансы на то, что они друг в друга врежутся не особо велики — одни дробинки движутся быстрее других. Просто пальните из шотгана в мишень и вы увидите что определенная доля дробинок попала в мишень и вырвала из неё солидный кусок, а все прочие наделали кучу дырочек по бокам и ниже (это называется осыпью дроби). То есть, как мы понимаем, в реакции участвуют далеко не все частицы, и их слишком мало для того, чтобы критерий Лоусона соблюдался. Что делают ученые для того чтобы повысить выход энергии? Используют более тяжелые частицы (крупные частицы обладают большим сечением и в них проще попасть), пытаются сконцентрировать дробь так, чтобы поток был плотным, разогревают дробь чтобы легче слипалась.

Вы не против чуть-чуть формул? Итак, mv²/2 — где m -масса дробинки-частицы, а v — её скорость, равно 2/3 kT, где k — это постоянная Больцмана, а T — температура. Из этого логически следует вывод, что чем массивнее частица и выше её скорость, тем больше энергии от удара получится. В случае с дробинками, например, возможно создать такие условия выстрела, что при соударении дробинки просто испарятся (это же свинец, он тяжелый). Ну так вот, второй вывод — на разгон более тяжелых частиц нужно больше энергии, по всем известной формуле. С этим тоже ясно? И вот мы пришли к тупику — ни при каких условиях выход энергии дробинок не превысит энергию, затраченную на выстрел (не забудьте что вам ещё нужно где-то добыть дофига свинца, отлить из него дробинки, смастерить рельсотроны, которые будет их гнать навстречу друг другу, теплообменник, который будет конденсировать испарившийся свинец и возвращать энергию в систему, на запитывание рельсотрона… М-да, ну вы короче поняли, почему я употребил выражение «ни при каких условиях» — КПД этой установки крайне низкий, и большая часть энергии будет уходить в нагрев. С частицами ситуация иная — вместо свинца у вас грубо говоря, малюсенькие заряды взрывчатки, что чуть улучшает дело, но не слишком).

Итак, что же у нас с микрочастицами? Для начала, на свинцовые дробинки они нифига не похожи, они очень легкие и «осыпь дроби» для них задается распределением Максвелла. Что ещё хуже, так это то что ядра атомов заряжены положительно и отталкивают друг друга. А кулоновский барьер — это очень, очень плохо, потому что нужно создать очень плотный поток этих самых частиц, движущихся с охрененно высокой скоростью, чтобы они вообще встретились друг с другом и начали реагировать. Единственный способ это сделать — это увеличить их энергию, то есть нагреть. Вот ученые и жарят плазму в магнитной ловушке, а потом она пшик — и гаснет. Почему? Потому что способ удержания плазмы — электромагнитный, то есть он действует на заряженные частицы. Пока реакции нет, плазма греется, а как только пошла реакция — во все стороны начинают лететь нейтроны, которым на плазму и электромагниты плевать с высокой башни, а энергии они несут с собой достаточно чтобы плазма остыла и реакция прекратилась. Вот засада, что же делать? Ну, очевидно, нужно либо подбирать топливо (список в википедии), которое не будет так эффективно охлаждаться, либо как-то запереть эти проклятые нейтроны, либо разложить их (в эту магию физики тоже могут, но требуется — правильно, ещё больше энергии и реакция всё равно тухнет). Кстати, идея с чисто магнитным удержанием провалилась — оно не в состоянии держать рвущуюся наружу мощь термоядерного синтеза, поэтому пришлось моделировать процесс, происходящий в звездах — вместо фотосферы, правда, большущий шар, который после активации активно греет плазму, которая уже сжимает топливо. Ну и что же, чёрт бы их подрал, делать? Если бы на этот вопрос нашелся вменяемый ответ, термоядерные реакторы бы уже работали и выдавали на-гора много энергии. Проблема тут упирается в основном в низкий уровень знаний о процессах в плазме — дело в том, что при увеличении энергии плазмы физики внезапно столкнулись с фигней, которую они не в состоянии объяснить — реактор внезапно и непонятно почему выдавал выхлоп в виде кратковременного повышения КПД, а затем тух. Видимо для дальнейших успехов нужно ещё больше увеличить количество топлива (и размеры реактора), а также повысить мощность удержания… Короче, чтобы процесс шел эффективнее, шар надо увеличить. Вот только, покосившись на звезду, автор этих строк кажется знает, до каких размеров придется в итоге дойти (то есть по сути мы сначала строим сферу дайсона, а потом уже зажигаем звезду). Эх… Ладно, поехали дальше.

Ввиду вышесказанного, физики пошли другим путем, и изрядно прокачав матан о плазме, обнаружили что в определенных условиях плазма сама сжимается в шнур и начинает вокруг него виться. Это можно использовать, более того, такая «турбулентность» характерна также для начинки звезд, только там она создает магнитное поле, а у нас всё будет наоборот, и за нас будет пахать сила Лоренца. То есть, если взять конструкцию условной «звезды» и повыкидывать из неё почти всё лишнее, останется «начинка» — шнур плазмы, завернутый в бублик. Исследования начинки звезд и опытно-конструкторские работы на термоядерных реакторах, плюс физика плазмы, позволили создать модель, при которой упакованная в тор плазма, конечно, будет жечь стенки (в этом большая проблема — если материал стенок, то есть обычно это достаточно тяжелые металлы — попадет в плазму, та охладится и потухнет), но для избежания этого было придумано много интересных инженерных решений, решающих множество сопутствующих проблем. А вот проблемы экономического плана никуда не делись, и во главу угла выходят те самые дейтерий, тритий и литий, которые будут дорожать (так что вопрос о коммерческой рентабельности термояда остается открытым, пока не найдут способ где бы добыть нужное количество топлива). Вдобавок у токамаков есть неприятная особенность в виде пробоя релятивистскими электронами, из-за чего существует опасность повреждения оборудования (но не рассчитывайте на термоядерный взрыв). Поскольку ранее человечество лишь занималось ОКР, и у них ничего не взорвалось (ну почти), и на текущий момент нужные технологии придуманы, возникла настоятельная необходимость их использовать и построить-таки термоядерный реактор чтоб заработать ачивку и проверить насколько он эффективен по сравнению с традиционными АЭС. Чем человечество и будет занято следующие лет тридцать, если его не отвлечёт ещё какая-нибудь проблема, требующая немедленной реакции.

На текущий момент, в нашей реальности, ряд стран строит экспериментальный реактор ITER, работающий на DT-схеме. Будучи токомаком эта дура будет жрать десятки килограмм дефицитных материалов, и не удивительно что как только его запустят, цена на них тут же взлетит. Ожидается что этот реактор закончат строить в 2025 году. Куда больший интерес представляет коммерческий реактор DEMO, который запустят не ранее 2050го (начнут строить когда закончат с ITER), по оптимистичным прогнозам. С его постройкой европейцы смогут получить пару гигаватт энергии, а на рынке тут же взлетят цены на литий, который используется дофига где ещё. Будет ли всё это работать так как надо? Ну, поскольку этим делом занимаются по сути те же люди что строили БАК (то есть имеющие опыт конструирования таких вот девайсов), то по всей вероятности работать оно будет. Как — это уже другой вопрос, но дабы никого не обидеть ответить на этот вопрос можно только фразой «поживем-увидим».

Недавно в лазерно-импульсной схеме получили выход энергии — три мегаджоуля тепла при подведённых к цели двум. Ура? Не тут-то было — момент знаковый, но чтобы эти два мегаджоуля в цель прилетели, на лазеры потребовалось подвести триста. Пока или лазеры и остальная требуха не станут в стократ эффективнее, или цель не станет выдавать на два порядка больше энергии, энергоустановки не будет.

Термоядерный реактор уровня «школьный проект по физике»

В 1950 году некто Фарнсворт прикола ради сбацал фузор имени себя — он использует электростатический метод удержания плазмы (создание отрицательного потенциала в облаке электронов, который разгоняет ионы в направлении ловушки где уже и идет реакция), красиво светится синеньким и выглядит жутко научно. Толку от него нет вообще никакого — к критерию Лоусона он не подбирается даже близко, не смотря на неоднократные попытки его заубгрейдить. Зато при наличии некоторой суммы денег на топливо и электронные компоненты, а также при наличии прямых рук, собрать эту фигню можно даже дома. Но лучше не надо.

Термоядерный реактор на антинаучной фигне

Ну, тут всё просто: это холодный термоядерный синтез. Почему это невозможно — см. выше. Если же до вас не доходят фразы «звездная температура», «высокая энергия» и «термоядерная бомба», или вы насмотрелись на красиво светящееся доказательство того, что у Тони Старка есть сердце (об этом ниже), физика тут бессильна, а вот медицина заинтересуется. А если не все готовы верить Визарду на его авторитетное, но не всегда достаточно убедительное слово — ну вы вот представьте себе мюонный катализ. Мюон на орбите — он вместо электрона, но он очень тяжёлый по сравнению с. В результате его орбита практически «скребёт по ядру» и заряд таки уравновешивается. Отталкивание ослабевает (соседний атом для вступления в химическую связь приближается на опасное расстояние) и реакция начинается! Вот это — да, работает (только мюонов не напасёшься, а то мы бы давно бы). А тут приходит какой-то гриб-весёлка с горы и начинает втирать, что подобным образом может работать растворение водорода в соответствующем металле. При размерах кристаллической решётки-то! Да там от любого ближайшего «компенсатора заряда» до ядра как кузнечику до Луны.

Внешне «реакторы холодного синтеза» могут быть похожи на фузоры, однако в отличие от них там нет обвеса, только провод, идущий в розетку. По сути дела все эти «реакторы» — это электронагреватели, что свидетельствует о том, что их авторы даже фузор собрать не в состоянии по причине дефицита мозгов. В особо чудовищных случаях в конструкции есть лампочка. Хотите посадить автора в лужу? Выньте штепсель из розетки, а также потребуйте полные чертежи устройства, потому что собранный без участия автора девайс работать не будет, что нарушает критерий научности и выдает мошенничество. Такие дела.

Да, о дуговом реакторе Тони Старка. Это никоим образом не термоядерный реактор, что бы там не говорил Тони Старк. Это — вы наверное удивитесь — топливный элемент, в пользу чего говорит наличие материалов платиновой группы (из которых делаются химические катализаторы), необходимость зарядки этой штуки (ох как просело напряжение после включения сердца Тони Старка) и не особо большая долговечность (по причине расходования палладия). Самым примечательным во всем этом являются слова Ивана Ванко про палладий у сердца. Извините мой французский, но кардиологи всего мира угорали над его словами очень долго (дело в том, что палладий активно используется в медицине). Но, эта фиговень красиво светится, а ещё благодаря ней костюм Железного Человека может летать, и для фанатов этого достаточно.

Термоядерный реактор в фантастике

Поскольку данная технология является научной, то, справедливо полагая, что скоро эту проблему успешно разрешат, фантасты взяли её на вооружение и принялись пихать в свои произведения, нисколько не заморачиваясь тонкостями реализации. И хотя уже более пятидесяти лет «воз и ныне там», это никого не смущает. Некоторые фантасты, более других подкованные в матчасти, пытаются даже объяснять механику работы этого устройства, либо с помощью флеботинума, либо (особо смелые) без него.

Примеры

Литература

• Relevation Space — стандартным реактором тут является Токамак, а не какая-то экзотика. А чего вы ещё ожидали от твёрдой научной фантастики?
• Лунная Радуга. Реакторы, питающие корабли энергией, вероятней всего термоядерные, с учетом регулярно поминаемых стеллараторов.
• «Капитан Френч, или поиски Рая» — аверсия. За 20 тыс. лет покорения космоса, никто так и не додумался до термоядерных реакторов. Все корабли летают на ядерных (ураниевых либо ториевых).
• «Пришедшие из мрака» — именно изобретение портативных термоядерных реакторов позволило создание космического флота, а также освоение Солнечной системы. Причём более-менее нормальные реакторы есть только у продвинутых стран. Китаю и Индии всё ещё далеко до них, поэтому дальше Луны не летают. Об остальных странах и говорить нечего. Впрочем, после первой части вообще переходят на импортный инопланетный флеботинум и качают энергию из другого измерения.
• Хонор Харрингтон: корабли используют генератор термоядерного синтеза. Обычно там стоит система эктренного отстрела реактора в случае отключения сдерживающего магнитного поля. К сожалению, система не всегда срабатывает вовремя.
• У Роберта Хайнлайна фантастика твёрдо-научная. Поэтому просторы космоса бороздят либо урановые и ториевые реакторы на испаряемом источнике реактивной тяги, либо конвертеры энергии (в "Пасынках Вселенной"), принцип преобразования массы в энергию в которых не разглашается.

Кино

• «Назад в будущее» — в 2015 году док Браун устанавливает на машину времени компактный термоядерный реактор, перерабатывающий бытовой мусор в энергию. Теперь героям (и сценаристам, что не менее важно) можно не заморачиваться всякий раз поиском источника энергии для путешествия.
• Passengers (2016) — фантастический термоядерный реактор с огроменным прозрачным окном, через которое можно любоваться термоядерной реакцией. У костра или открытой печки все стояли? А теперь представьте печку с температурой звезды и практически на расстоянии вытянутой руки.
• «Святой» — сюжет фильма крутится вокруг технологиии термоядерного синтеза.
• "Человек-паук 2" Сэма Рейми - Отто Октавиус собрал такой реактор, напоминающий мини-звезду. Вот только он вышел из-под контроля и начал жрать материю, а заодно задел систему управления меха-щупальцами Октавиуса, превратив его в Доктора Осьминога.

Телесериалы

• «Звёздный путь» — термоядерные реакторы используются как вспомогательные на звездолётах, ибо только аннигиляционная реакция способна предоставить достаточно энергии для тирьямпампации. А вот внутрисистемные импульсные движки питаются именно от термоядерных реакторов. Зачем тратить антивещество попусту?
• «Звёздные врата» — земляне дважды чуть не получают термоядерную энергию. Раз, с землянами контактируют жители планеты, живущие в бункере и предлагающие Земле многие технологии, включая управляемый термоядерный синтез, работающий на дейтерии (земляне некоторое время поставляют им «тяжёлую воду»). Они даже удивляются, что земляне до такого не додумались. Однако эта фракция оказывается местным аналогом «чистых арийцев», так что приходится отказаться от сотрудничества. Во второй раз, какая-то женщина на планете-тюрьме создала холодный синтез с помощью какой-то химии и домашних растений. Она предлагает дать Картер формулу препарата, однако убегает, когда становится известно, что она недаром прослыла как «разрушитель миров». Вроде бы формулу она всё равно даёт, однако после этого ничего не слышно (возможно одной формулы недостаточно).
  • Наборные устройства звёздных врат питаются от холодного термоядерного синтеза, причём энергии хватит на 50 млн. лет, однако на создание червоточины в другую галактику не хватит.
  • Впрочем, в скором порядке земляне получают доступ к наквадовым реакторам, поэтому о термояде забывают (хотя накваду необходимо добывать на других планетах).

Видеоигры

• Evil Genius. Продвинутый вариант реактора для генерации электроэнергии именно термоядерный. Что характерно, его изобретение решает все проблемы с энергообеспечением.
• Ogame. Браузерная космостратегия о тёмном будущем. Аналогично предыдущему пункту, но зигзагом: по-настоящему много энергии можно получить только солнечными батареями на близких к звезде планетах. Вот только спутники с батареями уничтожаются атаками противника, а наземные постройки — нет, и к тому же на удаленных от звёзд планетах без термоядерной электростанции не обойтись.
• Touhou Project — здесь гигантский (100 метров в диаметре — в 8 раз больше, чем строящийся на данный момент ITER) термоядерный реактор расположен под землёй в Бывшем Аду и занимается тем, что греет этот самый Бывший Ад, попутно создавая в Генсокё множество гейзеров и горячих источников. Работает реактор на магии, а вернее на божественной силе трёхногой вороны Ятагарасу — одной из посланниц местной богини Солнца.
  • Есть в этом сеттинге и работающий Холодный Термоядерный Синтез на основе палладия. Нет, автор не не в ладах с физикой и прекрасно знает, что данная технология антинаучна. Более того, она работает именно потому что антинаучна, ведь Генсокё устроен так, что то, что считается фантазией во Внешнем (то есть в нашем) Мире, становится реальным в этом.
• Galactic Civilizations — согласно бэку, именно изобретение людьми термоядерного реактора позволило уменьшить огромные гиперврата в портативный гипердвигатель. И это при том, что люди являются новичками на галактической арене, тогда как некоторые расы исследуют космос уже боле сотни тысяч лет и всё ещё делают это со стандартными ядерными реакторами. Затем какой-то сердобольный дебил поделился чертежами гипердрайва с инопланетянами, и началась межзвёздная гонка.
• Sword of the Stars — как и во многих других играх жанра «4X», термоядерная энергия является следующим шагом после ядерной. Позволяет кораблям двигаться быстрее. Далее следуют уже аннигиляцонные реакторы.
• Command and Conquer: Generals — базы США питаються от термоядерных реакторов.
• Act of War — базы Консорциума снабжаются от реакторов Токама́к.
• Stellaris — одна из доступных технологий, позволяющая устанавливать на свои космические корабли сабж статьи.
• Anno 2205 — сюжетной целью игры является постройка реактора на Луне и установка логистической цепочки из гелия-3 и дейтерия, для поддержания его работоспособности.

Настольные игры

• Warhammer 40,000 — плазменные реакторы Империума Человечества. Даже через 30 с гаком тысяч лет человечеству не удалось в полной мере обуздать энергию звезд, и поэтому эти реакторы просто обожают перегружаться и красиво взрываться при малейшей перегрузке. Впрочем, было бы справедливым также отметить, что раньше люди вполне умели поддерживать термоядерную реакцию без постоянных молитв: «О, Бог-Машина, яви нам своё милосердие и не обрушь на недостойных звездную ярость свою». Но технология безопасного сдерживания плазмы большей частью была провтыкана людьми после восстания машин, Ереси Хоруса и прочего «веселья», выпавшего на долю человечества.
  • Там же — мир-кузня Люций, построенная вокруг астрономических размеров термоядерного реактора (в кои-то веки ITER доделали). Если спросить местных АдМехов о происхождении реактора, то они сразу ответят, что это их творение. Но вот верить ли им…
  • Некроны тащат на поле боя по сути реакторы на антигравитационных тележках, способные сбрасывать плазму во врагов и «выиграть сражение одним выстрелом», а при неправильном обращении со стороны чудом затрофеивших сии вундервафли орков — предать их планету экстерминатусу. И вообще у них есть целая специальность криптеков-плазмантов, посвящённая подобным девайсам самых разных калибров.
• BattleTech — компактные и мощные термоядерные реакторы открыли человечеству путь к звездам и изобилию… а заодно позволили ему создать меха, которые сыграли далеко не последнюю роль в превращении Внутренней Сферы в сборище постоянно грызущихся друг с другом звездных королей.