Термоядерный реактор

Материал из Posmotre.li
Перейти к: навигация, поиск

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[править]

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»[править]

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[править]

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»[1]. 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)[2]. Кстати, идея с 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.

Термоядерный реактор уровня «школьный проект по физике»[править]

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[править]

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.

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[3]. Это — вы наверное удивитесь — топливный элемент[4], 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[5]). 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[править]

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[править]

Emblem-important.pngДа миллион раз же было!
Автор этой статьи уверен, что неоднократно видел примеры этого тропа, но не может вспомнить достаточное их количество. Может быть, вам придёт на ум ещё хотя бы парочка?

Литература[править]

  • Relevation Space — стандартным реактором тут является Токамак, а не какая-то экзотика. А чего вы ещё ожидали от твёрдой научной фантастики?

Кино[править]

Настольные игры[править]

  • 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…
  • 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.

Примечания[править]

  1. All rights reserved.
  2. да, существуют «безнейтронные» реакции, проблема в том, что для этого нужно потратить много энергии на производство топлива
  3. И да, по сути дела это является отсылкой к попыткам соорудить холодный синтез начиная с 1920 годов. Идея была в том, что палладий проницаем для водорода, и возможно существует элемент, который может быть катализатором термоядерной реакции, для чего не придется жарить плазму — температура конечно всё равно будет большая, но не настолько, потому эта идея и была названа холодным синтезом. Потом до неё добрались антинаучные фрики и понеслось…
  4. Если бы не надо было менять палладий — стал бы батарейкой. А когда Тони Старк открыл Новый Элемент, его сердце стало флеботинумным.
  5. Здесь можно сделать вывод — основанный на сцене, где Тони заменяет палладиевую пластинку, выглядящую как будто она побывала в кислоте — что он-то и расходуется, а вот как — задача та ещё. Идея о том, что Тони с помощью высокочастотного детонационного круговорота водорода в дуге (вот это вот круговое мерцание света — как раз оно и может быть) превращает палладий в родий с выделением энергии на поддержание работы всей этой фигни выглядит при первом приближении разумно (энергии выделяется очень много), вот только цепочка электронного захвата палладий-рутений-технеций-молибден-ниобий-цирконий — не выдерживает никакой критики (если глянете в таблицу, увидите что реакция идет влево, что выдает распад, а не синтез, таким образом дуговой реактор даже с натяжкой нельзя назвать реактором синтеза). Хотя если продолжить через иттрий до стронция, опасения Тони Старка за здоровье начинают походить на что-то разумное, стронций в организме — это смерть, полная боли. Но это какбэ невозможно чисто технически.