десетилетия.
Синтез
Енергия от синтез. Какво означава „енергия от синтез“? Атомната бомба се задейства, когато атомите на урана се разцепват и освобождават свързващата ги енергия. Контролираното разцепване на атомите в ядрените реактори произвежда топлина и отпадъчни продукти. Ядрените реактори се нуждаят от силно токсичен уран или плутоний и оставят след себе си материали, които са опасни за околната среда.
В теоретичния си подход към „проблема“ за слънчевата енергия Ханс Бете изказал предположението, че Слънцето използва друг вид атомна реакция. Той твърди, че при отделянето на огромните количества енергия се извършва не разделяне, а сливане на ядра. Според д-р Бете горивото за този синтез е водородът — газът, от който почти изцяло е съставена атмосферата на Слънцето. При процеса на синтез водородните ядра се привличат едно към друго заради огромната гравитация на звездата.
Сблъсъците между водородните атоми отначало произвежда топлина, след това — йонизация и накрая — ядрен синтез. Процесът изисква огромно налягане, каквото е неизвестно на Земята. Намиращите се на определено разстояние ядра се отблъскват помежду си заради електростатичната сила. Но след като преминат определен радиус, надмощие вземат ядрените сили. При огромния брой сблъсъци и неимоверната плътност, свободните ядра започват да се „сливат“ помежду си, като със сливането се отделя енергия. Мнозина читатели често питат как е възможно това. Докато е сравнително лесно да си представим отделянето на остатъчната енергия при разцепването на атома, на доста хора им е трудно да разберат как при едно „сливане“ може също да се получи „остатъчна“ енергия. В зората на атомната теория ядрата не са се разглеждали като статични структури от протони и неутрони. Те не били „затворени“ кристали без собствена вътрешна динамика. Вместо това ядрата се възприемали като динамични системи с вътрешна газообразна свобода и изключително силни „токове“ (Томсън, Ленард).
За да натрупат тази енергия, ядрата нямат нужда да се движат. Силните вътрешни движения са част от собствената им същност. Ето защо отделните ядра действат като цяла система със своя собствена вътрешна кинетична енергия. Когато се приближават помежду си, го правят с огромни индивидуални сили. Ето защо способното да ги събере в едно цяло налягане може да предизвика комбиниране на поразителните ядрени динамики. Но с навлизането в ядрените комбинации, вътрешните енергии се озовават на арена със свои структурни „правила“.
Въпреки че до голяма степен независимата динамика на отделните ядра, сливането им се възпрепятства от законите за ядрената стабилност. Именно тук виждаме могъщият разум на природата, проявяващ се в естествено предпочитаните състояния на структурна стабилност на ядрено равнище. Тези състояния съществуват в цялата вселена и се проявяват при ядрените реакции. Силното привличане, което води до сблъскването на ядрата, не може да създаде стабилна форма, без да се направят известни промени. Енергийни промени. Всяко ядро в топилото има свое собствено вътрешно трептене. Собствено ядрено трептене и токове. Всяко ядро започва сливането със своя собствена енергия и се опитва да оформи нова и по-стабилна ядрена „структура“. Има обаче един проблем. Изведнъж се появява излишък от ядрена енергия, донесена от всяко ядро. Ако сливащите се ядра не изхвърлят собствените си енергии, току-що образувалата се нова структура ще се разпадне. Какво ги кара да правят това?
Енергийните състояния търсят пространствени геометрии, които са „стабилни“ и „безопасни“. Стабилността на новата ядрена структура изисква изхвърлянето на енергийния излишък. Енергията, притежавана първоначално от отделното ядро, се изхвърля от новата структура и така сливането завършва. Всяка „нова структура“ е ядро на хелий. Когато водородните ядра се „сливат“ в хелий, те по необходимост отделят неутрони, топлина и светлина. Процесът продължава, докато не настъпят промени в „околната среда“. Всяка промяна в количеството водородни ядра, в скоростта на сблъскването помежду им, в плътността и в количеството изхвърлени продукти променя непрекъснатия термоядрен синтез, извършващ се в Слънцето.
В природата процесът се контролира от масата, от отделената топлина и частици, както и от следващия от всичко това обем на звездата. Слънцето действа като огромен газов „балон“, който се разширява, когато е горещ и се свива при охлаждане. При натрупването на прекалено много топлина то се раздува. Това забавя термоядрения синтез. При прекаленото изстиване силата на гравитацията го свива обратно, докато нагряването и сливането не продължат. С други думи, силата на гравитацията е причина за образуването, поддържането и управлението на термоядрената реакция в звездата.
Изучавайки тези реакции и начина на проявяването им, физиците се запитали дали не могат да създадат „горещ“ ядрен синтез на земята. Идеята била водородът да се свие изкуствено и ядрата му да се слеят в контейнер. Контролираното сливане на водородни атоми ще предизвика отделянето на изключително голяма топлина, но не и на радиоактивни отпадъци. Последният факт е най-атрактивната черта на потенциалния реактор за „горещ“ синтез.
Освен това, горивото за термоядрения реактор може да бъде от два тежки изотопа на водорода. Тези изотопи (деутерий и тритий) се съдържат в морската вода. Морска вода! Ето откъде ще черпим гориво. Урановата индустрия ще се срине за една нощ. Смес на деутерий и тритий ще се сложи в реактора, който ще я загрява достатъчно време, за да започне термоядреният синтез. И точно тук започва нашият разказ. Инженерните проблеми, съпътстващи този „прост“ реактор, се оказали непреодолими за повечето изследователи.
Термоядрен синтез
Практическите разработки започнали с идеята, че електричеството може да замести огромните гравитационни сили, упражнявани от Слънцето върху собственото си „водородно тяло“. За първите инженери на „термоядрени реактори“ това била първата завладяваща цел. Чак по време на експериментите станала ясна основната разлика между „неутралната“ сила на гравитацията и „поляризираната“ сила на електричеството.
Захранваният с електричество термоядрен реактор трябва да поддържа температура над един милион градуса, за да започне ядреният синтез. Първите изследователи използвали един ефект, открит в лабораториите от викторианската епоха. Блестящите електрически разряди, изпълващи контейнерите си, можели да бъдат накарани да „излязат“ от стените им чрез увеличаването на количеството ток. Следващите увеличавания на тока карали разрядите да се „притискат“. При това изтегляне към оста на контейнера те до такава степен засилвали яркостта си, че учените на можели да гледат директно към светлината.
Получената тънка гърчеща се нишка криела странна тайна. Първите изследователи в областта на термоядрения синтез разгледали феномена и проектирали свои различни системи за предизвикването му. При някои от експериментите токът се използвал, за да йонизира и „притисне“ поставеният под високо налягане деутерий. Фриц Панет извършил такива опити през 30-те и се сблъскал с аномално отделяне на огромни количества топлина, когато в деутерий под високо налягане се поставят електроди от волфрам и бисмут. От горещината електродите се нажежили до червено. Температурата оставала висока много след спирането на тока. Това бил първият термоядрен реактор.
При подобни експерименти с деутерий и електроди от паладий д-р Панет показал контролирано изпускане на топлина от реактора. Макар и да не знаел какъв е истинския източник на топлината, при реакциите се наблюдавали радиоактивни емисии, близки до тази на радия! Учените забравили за резултатите от труда му до избухването на Втората световна война. По типичния за нея начин, научната общност просто забравя с какви съкровища разполага. След войната започнали нови експерименти, но никой не се сетил за постиженията на д-р Панет.
Първите следвоенни модели били прости цилиндрични лампи с поставени един срещу друг електроди. Колкото повече ток се прилагал, толкова по-тясна ставала нишката. Колкото по-тясна била нишката, толкова по-близо бил ядреният синтез. Някои учени измерили количеството отделяни неутрони — сигурен знак, че се извършва термоядрена реакция. Разбира се, проблемът бил в това, че реакторът трябва да създаде постоянна реакция, което изисквало огромни количества електричество. Освен това системите претърпявали неуспех, защото електродите се стопявали от дъгата и металът замърсявал контейнера преди началото на реакцията и по този начин я блокирал.
