Як працює фузор

Багато говорять, що альтернативне джерело енергії майбутнього — це термоядерна енергія від термоядерних реакторів.

Така енергія не забруднює довкілля та може існувати мільйони років, а ресурсом для її виробництва є вода. Концепцією, що лежить в основі використання цього джерела енергії, є процес, що називається термоядерною реакцією. Це той самий процес, завдяки якому енергію отримує Сонце. Термоядерні реактори можуть здатися складними, тим більше, що їм потрібна плазма з температурою понад 100 000 000 градусів за Цельсієм, проте термоядерна реакція — це не так складно, як можна було б подумати. Існує кілька типів термоядерних реакторів. Найпростішим є так званий фузор з електростатичним утриманням плазми (IEC), який буде пояснено пізніше. Багато предметів і понять, описаних у цій статті, вивчаються на уроках фізики у старших класах.

Що таке термоядерна реакція?

По-перше, що таке термоядерна реакція? Термоядерна реакція — це процес злиття (об'єднання) двох атомних ядер у нове ядро. У різних випадках можна одержати додаткову енергію від злиття певних ядер. Термоядерна реакція відбувається, якщо два ядра так зближуються настільки, що та сама сила, яка утримує протони та нейтрони в ядрі разом, здатна «зачепитися» за інше ядро й об'єднати два ядра разом. Проблема полягає в тому, що всі атомні ядра заряджені позитивно та відштовхуються один від іншого, як два однакові магніти. Отже, найпростіший спосіб зблизити два ядра, щоб вони злилися, це або щільно притиснути їх один до іншого, або вистрілити ними з великою швидкістю назустріч один іншому. І це саме те, що відбувається в термоядерних реакторах.

Який принцип роботи IEC-фузора?

IEC-фузор — це прискорювач заряджених частинок у формі кулі, який прискорює ядра в напрямку до центру кулястої сталевої камери, де вони можуть зіштовхнутися одне з іншим і злитися.

Фузор прискорює ядра завдяки потужному електричному полю. Як згадувалося раніше, всі ядра заряджені позитивно, тому вони відштовхуються від інших позитивно заряджених об'єктів і притягуються до негативно заряджених об'єктів. Якщо потім з'єднати позитивний кінець джерела живлення, наприклад батарейки, із зовнішніми стінками камери, а негативний кінець — із кулястою порожнистою металевою сіткою в центрі камери, буде створено електричне між сіткою та стінками камери. Це лише химерний спосіб сказати, що позитивно заряджені частинки, такі як ядра, притягуються/прискорюються всередину негативно зарядженої сітки. Водночас негативно заряджені частинки, такі як електрони, притягуватимуться/прискорюватимуться назовні до позитивно заряджених зовнішніх стінок.

Те, наскільки ядра прискорюються всередину, а згодом і яку швидкість вони набувають, залежить від напруги джерела живлення, під'єднаного до сітки та стінок камери. Що вище напруга, тим сильніше електричне поле й тим більшу швидкість мають ядра, коли вони досягають металевої сітки всередині реактора. Усередині цієї сітки є невеликий порожній простір, де ядра з різних частин сталевої камери можуть зіштовхнутися та злитися. Щоб розігнати ці ядра до досить високої швидкості для їх злиття, потрібна напруга в кілька тисяч вольтів. З цієї причини звичайні батарейки з напругою від 1 до 12 вольтів недостатньо сильні, тому потрібне спеціальне джерело живлення високої напруги.

Вакуум

Ще одним важливим чинником у більшості прискорювачів заряджених частинок, чи то Великий адронний колайдер Європейського центру ядерних досліджень (CERN) або фузор, є вакуум. Звичайне повітря скрізь містить частинки, які постійно зіштовхуються одна з іншою та рухаються у випадкових напрямках. Такі умови роблять дуже непрактичним прискорення частинок на великі відстані, оскільки частинка не подолає навіть відстань у десяту частку мікрометра, як зіштовхнеться з іншою часткою та відстрибне від неї. Тому більша частина повітря зі сталевої камери має бути видалена. Це робиться за допомогою однієї або кількох вакуумних помп, що відсмоктують повітря. За досить гарного вакууму є так мало частинок, що ядра можна розігнати на кілька сантиметрів, не зачепивши їх об що-небудь. Водночас повний вакуум (відсутність частинок у камері) не бажаний, тому що потрібно кілька ядер, які можна прискорити та злити. Нормальний рівень вакууму для фузора становить приблизно 1/100 000 тиску у звичайному повітрі.

Паливо

На жаль, злити всі типи атомів не так просто. Найлегше злити два ізотопи водню — дейтерій і тритій, які являють собою всього-на-всього атоми водню з відповідно одним і двома додатковими нейтронами в ядрі. Прибл. 0,0156 % усього водню у воді (H2O) становить дейтерій. Може здатися, що це небагато, але зважаючи на той факт, що 70 % земної поверхні вкрито водою, отримати дейтерій не так уже й складно. Тритій, на відміну від дейтерію, набагато рідкісніший і небезпечніший, тому дейтерій є бажаним паливом для IEC-фузорів.

Послідовність дій усередині фузора

Прискорювач заряджених частинок, що відповідає всім вимогам, згаданим вище, може здійснювати термоядерні реакції. У сталевій камері у формі кулі з гарним вакуумом, внутрішньою порожнистою металевою сіткою та потужним електричним полем між сіткою й стінками камери в разі додавання в камеру дейтерію відбувається таке:

Ядра дейтерію іонізуються, що означає, що ядра дейтерію й електрони, що їм належать, відтягуються один від одного електричним полем. Електрони притягуються до зовнішніх стінок, а ядра — до внутрішньої сітки.
Ядра дейтерію прискорюються всередину до сітки та набувають швидкості величиною до багатьох мільйонів кілометрів на годину.
Ядра дейтерію з усієї камери потрапляють усередину сітки на високій швидкості. Там унаслідок усіх іонів/ядер дейтерію, що летять, утворюється ділянка плазми внаслідок усіх іонів/ядер дейтерію, що летять. Одні з цих ядер ударяються одне об інше та зливаються, другі ударяються об саму металеву сітку, а треті проходять наскрізь.
Щодо ядра дейтерію, яке проходить прямо через внутрішню частину сітки й далі по інший бік, то воно сповільнюється електричним полем і знову притягується до сітки. Воно може зробити кілька проходів вперед і назад по сітці, доки не натрапить на щось.
Якщо два ядра дейтерію зіштовхнуться одне з іншим і зіллються, вони об'єднаються в ядро гелію з двома нейтронами та двома протонами. Це ядро гелію дуже не стабільне одразу після термоядерної реакції, тому воно випромінює або нейтрон, або протон, які відлітають з величезною швидкістю. Імовірність втрати нейтрона дорівнює ймовірності втрати протона.
Протон і ядро, що залишилося, можуть ударятися об стінки камери та нагрівати їх, а нейтрон пролітає прямо крізь стінки.

Для чого можна використовувати фузор?

Найбільшим недоліком фузора IEC є те, що він не може виділяти достатньо тепла для виробництва корисної енергії. Насправді дуже важко навіть помітити, що він щось виробив. Тепло від термоядерної реакції в більших і досконаліших термоядерних реакторах, таких як токамак, можна, принаймні, відносно легко спостерігати й, можливо, в майбутньому використовувати для одержання більшої кількості енергії, ніж необхідно для живлення реактора.

Що можна використовувати з IEC-фузора, то це нейтрони, які утворюються в термоядерних реакціях. Вони, як випливає з назви, електрично нейтральні. Ця властивість дозволяє їм пролітати крізь більшість речей, якщо вони мають достатню швидкість, включно зі стінками фузора. Коли вони зовні, їх можна сповільнити та використовувати для трансмутації елементів. Трансмутація — це зовсім інша тема, і її часто використовують для отримання радіоактивних медичних речовин. Словом, це охоплює бомбардування речовини нейтронами так, що ядра в речовині можуть поглинути нейтрони та стати радіоактивними. Це трохи подібне на термоядерної реакції. Потім ці нові радіоактивні ядра розпадаються (випускати випромінювання) та перетворюватися на нові ядра, відмінні від початкових. Наприклад, можна використовувати трансмутацію для отримання технецію-99m — речовини, широко використовуваної в багатьох медичних дослідженнях. Найважливішим інгредієнтом у виробництві технецію-99m є потужне та просте джерело нейтронів. Отже, фузори можна використовувати з користю, навіть якщо вони не розв'яжуть світових енергетичних проблем.