Термоядерный синтез

Термоядерный синтез ("термояд, управляемый термоядерный синтез, УТС") — старый, но всё ещё действующий метод распила бюджетного бабла в глобальных масштабах, способный дать в качестве побочного результата источник сотен энергии, звездолёты и прочие кошерные вещи.
Работающий прототип чудо-машины наглядно представлен в виде <del>вращающегося над поверхностью земного диска</del> Солнца. Правда запилить именно такую же мы не можем: чтобы водород смог в термоядерную реакцию сам, без обвеса, его нужно много. Нет, МНОГО. 80 масс Юпитера или больше. Но мы работаем над этим.

Непросвещённым — сюда.
Коротко о главном. Давным-давно Эйнштейн распространил ныне известное даже детям E=mc² на все объекты (в том числе движущиеся с околосветовой скоростью, безо всяких эфиров и электродинамик). В то же время учёные поняли, что два ядра атома дейтерия ²H (это тяжелый изотоп водорода) неспроста весят чуть более, чем одно ядро гелия-4 He. Более того, при синтезе этого самого гелия из водорода энергия связи Δm×c², где Δm — дефект массы, с радостью улетает в виде кинетической энергии продуктов синтеза.
В принципе, вариантов синтеза на самом деле чуть более, чем дохрена. Можно использовать и дейтерий, и литий, и тритий — да хоть что! Вот только:
для синтеза более тяжёлых элементов нужна большая температура;
при синтезе элементов тяжелее железа энергии выделяется меньше, чем при синтезе железа.
Поэтому выбор, тащемта, невелик: либо использовать дейтерий из воды (которой очень много, пока ещё) и нагревать его до ста миллионов градусов, либо синтезировать сверхтяжёлый изотоп водорода из лёгкого изотопа лития (тут градус будет на порядок ниже, но и нейтронное излучение сильнее). Как нетрудно догадаться, люди в белых халатах и очках выбрали второй способ.
Не будем вдаваться в технические, матановые и проектировочные подробности. Достаточно подсчитать, что один грамм дейтерий-литиевого «топлива» (0,25 г дейтерия + 0,75 г лития-6) позволяют получить немногим больше энергии, чем три с половиной тонны бензина. Этого уже достаточно, чтобы финансировать работу сумрачных гениев по реализации данной затеи IRL.
Но жопа в том, что термоядерной/водородной пока удаётся сделать только бомбу. Взорвав сначала обыкновенную атомную и добившись тем самым нужной для ТЯС температуры. А вот сделать этот синтез управляемым — проблема. Плазма в токамаках не держится, «рвётся», а другие способы пока ещё сырые.
Получать из реакции D+Li много энергии научились ещё более полувека назад. И уже тогда начали вести полномасштабные исследования возможности мирного применения этой энергии. Причём полагали, что первые экспериментальные термоядерные электростанции начнут строить чуть ли не сразу после появления первых промышленных атомных электростанций. Но даже несмотря на то, что дедлайн установил лично товарищ Сталин, они не появились до сих пор.
Термоядерные исследования — это в значительной степени экспериментальная наука. Тут вам не Перельман, с тремя копейками денег ничего толкового не сделаешь. Необходимо сложное дорогостоящее оборудование и куча <del>негров</del> нердов, которые будут это оборудование обслуживать. На всё это нужно выделять большие деньги. И, как ни странно, они таки выделяются. А когда любое правительство выделяет на что-то деньги, они неизбежно идут не только на те аспекты, которые реально важны, но и на те, что лучше прорекламированы. Даже те научные организации, которые действительно хотят сделать что-то полезное, нередко вынуждены заниматься чем-то скорее «модным», чем реально важным, так как иначе денег не получат.
Справедливости ради стоит отметить, что расходы на термояд выглядят огромными только до тех пор, пока не сравнишь их со всякими нанотехнологиями и другими радостями распильщиков.
Как известно, нефти, угля и газа хватит не так уж и надолго. Да ещё и экологи недовольны. Урана и тория вроде хватает, но народ чего-то боится. Да и неясно, куда столько радиоактивных отходов девать.
Термояд же позволяет в перспективе получать энергию буквально из воды, причём отходами его работы будут являться только обычные безвредные водород и гелий. Внутри реактора будет радиоактивный тритий, но его будет сотни грамм, в противовес сотне тонн полуотработанного топлива в обычных ядерных реакторах, так что ничего подобного Чернобылю не может произойти даже если термоядерный реактор взорвётся. Но его взрыв возможен разве что в случае теракта, так как реакция там в принципе самопроизвольно развиваться не умеет.
Алсо, в теории, ракетные двигатели, основанные на сабже, способны выдавать импульс больший нежели плазменные, электрические и всякие там ядерные. Что позволяет получить трактор пригодный для использования в планетарных и даже в межзвёздных масштабах со скоростью в 10% от световой. Во втором случае, правда, полёты будут беспилотными. Но лет эдак за 50 до ближайшей звезды дошкандыбать можно.
Чтобы произошла реакция синтеза, два ядра должны сблизиться на очень близкое расстояние. Но ядра имеют положительный заряд, а потому отталкиваются друг от друга. Чтобы их сблизить друг с другом, их нужно разогнать до огромных скоростей. Одним из основных вариантов такого разгона является нагрев до высокой температуры. Расчет показывает, что нужна температура порядка 10^9 Кельвин. Но за счет так называемого «максвелловского хвоста» синтез зажигается уже при 10^7. Популярно это можно объяснить следующим образом, при заданной температуре частицы газа движутся с "различными " скоростями, определяемыми (в дорелятивистской области) распределением Максвелла. Поэтому уже при температуре 10^7К найдутся такие частицы, скоростей которых достаточно для преодоления кулоновского отталкивания и слияния двух ядер в одно. Но при таких температурах вещество становится плазмой и очень интенсивно излучает энергию, то есть быстро остывает.
ВНЕЗАПНО оказалось, что реальные потери энергии куда больше, чем показывали первые теоретические расчёты, и вообще плазма ведёт себя крайне невоспитанно, не слушается учёных, так что достаточное количество топлива прореагировать не успевает. Уменьшить же потери или увеличить скорость реакции оказалось не так-то просто. Причём зачастую требования друг другу противоречат: чтобы за то же время прореагировало больше топлива его концентрацию нужно повышать, но при повышении концентрации возрастают потери энергии, а оттого время уменьшается.
Справедливости ради стоит отметить, что бабло эти полвека тратилось не только впустую. Современные реакторы лишь в разы хуже того, что нам нужно, а ещё несколько десятков лет назад отставание было на порядки. Так что, если финансирование не прекратится, термоядерные электростанции всё-таки построены будут. Лет через пятьдесят.
На данный момент самыми перспективными признаны два подхода к получению термоядерной энергии: долгое время удерживать магнитным полем разреженную плазму и сжать плазму до такой огромной плотности, что реакция успевает пойти несмотря на то, что от разлёта плазму удерживает лишь инерция.

Первый вариант осуществляется с помощью двух типов установок: токамаки и стеллараторы. На данный момент отличия между ними сводятся к тому, что первые чуть дешевле при тех же размерах, а вторые — чуть лучше. Для неискушённого наблюдателя и то и другое — бублик с каким-то хитроумным магнитным полем внутри (впрочем, последние разработки в области стеллараторов предполагают настолько хитрую форму магнитных катушек и вакуумной камеры, что даже школьник это с токамаком не спутает). Так как чем больше размер реактора — тем лучше (и Фрейд тут ни при чём) в нём удерживается плазма, вопрос строить ли на эти деньги токамак, но побольше, или стелларатор, но поменьше, остаётся открытым. Но чаще выбирают первый вариант (не исключено, что это уже связано с Фрейдом напрямую: чем больше то, что ты обещаешь построить на эти деньги, тем вероятнее, что их тебе выделят).
Сперва в мире строили только стеллараторы; на то что совки возятся с какими то там бубликами особо внимания не обращали. Тут в 1968 советские ученые ВНЕЗАПНО объявили на весь мир что в своем агрегате получили целых 10 миллионов градусов и притом аж на десять миллисекунд. Все остальные просто охренели от такой наглости (цифры примерно на порядок превышали результаты любого другого агрегата), и, разумеется, потребовали доказательств. Поскольку оные были очень кстати ЧСВ всего Советского Союза, правительство разрешило приехать группе британских ученых. Те произвели замеры (как объяснили одному сэру в Палате Лордов — очень длинным термометром) и подтвердили цифры. Все дружно ринулись ломать и перестраивать свои стеллараторы.
Вариации на тему магнитного удержания. Получатели грантов обещают через пять лет сделать реактор, который можно возить в прицепе Газели. За счет хитрых магнитных зеркал обещают уменьшить размеры, потребные для удержания горячей плазмы.
Единственный работающий на практике вариант. Осталась одна «мелочь»: сделать масштабы достаточно малыми для применения в мирной энергетике. А тут, как и в случае магнитного удержания, чем больше, тем проще получить реакцию.
Первоначальная идея заключалась в том, чтобы со всех сторон жахнуть по маленькому шарику дейтерий-тритиевого льда кучей лучей лазеров, пучков электронов или ионов. Но идея провалилась: сжатие происходило неравномерно, а оттого никакой нормальной реакции не получалось. Позже разработали несколько изменённый метод: шарик льда помещают внутрь небольшой металлической сферы с несколькими дырочками для прохода лучей/пучков, лучи/пучки нагревают внутреннюю поверхность сферы до большой температуры и она начинает светить мягким <del>уютным</del> рентгеном, это рентгеновское излучение очень равномерно нагревает поверхность ледяного шарика, та испаряется и реактивной силой равномерно сжимает оставшийся лёд (кстати, это куда ближе к термоядерной бомбе, чем исходная идея). Сейчас к этому ещё добавилась идея использовать не один импульс, а два (fast ignition/быстрое зажигание): один относительно медленно сжимает количество топлива, а второй быстро разогревает малую часть от уже сжатого, потом термоядерная реакция сама распространяется на остальное топливо. Дополнительно можно посмотреть Википедию.
Если уж приспичило осуществить термоядерный синтез, и при этом не нужна энергия, то строить мега-реактор совсем не обязательно. Достаточно сабжа — небольшого устройства, позволяющего невозбранно запилить термоядерную реакцию у себя на столе. Единственный минус — энергию фузор Фарнсворта не вырабатывает а, напротив, жрет и нехило. В 2000-х в США пытались запилить улучшенную версию фузора на основе идей расового совкового хохла из Харькова под названием «Поливелл» в надежде, что он хоть что-нибудь, да выработает. Не получилось, не фартануло — он всего лишь стал чуть меньше потреблять. Впрочем, в этом направлении пытаются копать дальше.
Эпическое сборище шарлатанов. Причём если одни из них только предлагают свои перспективные «пути решения», то другие и вовсе предлагают готовые решения, реализованные «в железе».
Среди всего этого многочисленного бреда изредка, но таки встречаются нормальные разработки. В частности мюонный катализ, использование встречных пучков быстрых ионов дейтерия и трития и т. д. Но все они пока крайне далеки от получения полезной энергии и на практике могут использоваться (и используются) только в качестве источников быстрых нейтронов.
Известно, что в термоядерных бомбах часто используют оболочку из обеднённого урана для существенного повышения мощности взрыва: нейтроны D-T реакции обладают столь высокой энергией, что вызывают деление даже «неделящихся» тяжёлых изотопов. Разумеется, быстро возникла идея применить этот же принцип и в мирных реакторах.

Самый крупный на данный момент агрегат. Тип — токамак. Строится на юге Франции. Название первоначально значило «International Thermonuclear Experimental Reactor» («Международный Термоядерный Экспериментальный Реактор»), но сейчас предпочитают не расшифровывать вообще — дескать, на слово «термояд» у некоторых ассоциации плохие. Справку о безопасности, правда, уже получили, даже вроде не одну. В начале 2014-го один фонат начал собирать голоса на производство LEGO модели. На относительно небольшой кусок требуется под пятьсот кирпичиков.
Физики-теоретики до сих пор срут кирпичами, а Мёрфи собирает шаблон от H -моды установок с магнитным удержанием. Так, при достижении определённой мощности дополнительного нагрева плазмы в токамаках (а впоследствии этого добились и в стеллараторах) резко замедляется перенос, а значит и потери энергии в плазме. Сами представьте: вы долго всё разрабатывали, рассчитывали, построили токамак, а он внезапно работает вдвое лучше, чем предполагалось!
Теоретики напридумывали кучу гипотез, как объяснить появление H-моды и полное несоответствие экспериментальных формул классическим теоретическим даже по знаку производной, но единой чёткой модели так и нету. Экспериментаторы же просто разобрались как оно работает и стали напоминать шаманов не меньше, чем админы: точно так же не могут объяснить, как оно работает, но оно таки работает.
Любители поискать глубинный смысл и религиозные люди могут считать, что это знак от Б-га, что мы двигаемся в нужном направлении или современная манна небесная от него же.
Также это позволяет оптимистам рассчитывать на открытие в будущем какой-нибудь UH-моды и появление термоядерных электростанций куда быстрее современных прогнозов. Ну или пессимистам — ожидать появления какой-нибудь обратной моды, которая сделает ситуацию ещё хуже, чем было до открытия H-моды. И теоретикам корм, конечно же — релятивистский случай тесно схлестнулся с квантовым, а что ещё для теории струн нужно? Чёрные дыры у них есть, бозон Хиггса теперь тоже есть, а тут ещё и H-mode.