Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы

Энергия, которая непрерывным потоком идет к нам с Солнца, высвобождается в его недрах посредством реакции синтеза. Эта энергия остается, когда ядра самых легких химических элементов, таких как водород и гелий, сливаются и образуют новые, более тяжелые химические элементы. Если бы у нас был механизм, с помощью которого можно было воспроизвести этот же процесс в термоядерном реакторе на Земле, мы производили бы огромные количества энергии из тех элементов, которых у нас в избытке.

Тем не менее тут проще сказать, чем сделать. Чтобы атомные ядра слились, их необходимо прижать друг к другу с огромной силой. В недрах Солнца температура достигает 15 миллионов градусов, а давление в 340 миллиардов раз превышает атмосферное давление на поверхность Земли[287]. Подобные условия за гранью того, что можно воссоздать в реакторе здесь, на Земле.

Задача окажется более посильной, если обычный водород, у которого в ядре лишь один протон, заменить его более тяжелой версией, у которой есть еще один или два нейтрона. Называются эти версии дейтерий и тритий[288]. Атомы дейтерия весят в два раза больше, чем обычный водород, а когда дейтерий занимает место водорода в молекуле воды, получается то, что мы зовем тяжелой водой: компания Norsk Hydro производила ее в Рьюкане, и во время Второй мировой войны из-за нее на предприятии совершались диверсии[289], ведь тяжелая вода понадобится тому, кто производит ядерное оружие из плутония[290]. Тритий – версия водорода с двумя нейтронами – очень нестабильное вещество, распадающееся на другие элементы за несколько лет после образования. Чтобы использовать тритий в термоядерном реакторе, нам сначала придется его изготовить. Сегодня тритий производят из редкого изотопа лития – от всего объема имеющегося на Земле лития его количество составляет менее 10 %.

Возможно, водород, в отличие от лития, бесконечный ресурс. Согласно расчетам, если весь литий, который удастся извлечь из земной коры, мы отправим в термоядерный реактор, при сегодняшнем энергопотреблении его хватит на тысячу лет. Кроме того, дейтерий и тритий есть в морской воде. При наличии эффективного метода добычи этих элементов из океана на удовлетворение людских энергетических потребностей нам хватило бы их на несколько миллионов лет.

В термоядерных реакторах электроны отрываются от атомов, чтобы атомные ядра оказались друг к другу как можно ближе и слились. Газ, чья температура поднимается так высоко, что электроны отрываются от атомов, называется плазмой. На Земле, например, плазму можно обнаружить в молниях и северном сиянии. В случае с плазмой проблема в том, что у нее есть тенденция рассеиваться, следовательно, остывает она быстро. Звезды настолько крупные и тяжелые, что их гравитационное поле удерживает плазму на месте, однако на нашей планете размером с камушек повторить это не выйдет. Альтернатива для нас – с помощью магнитов собирать плазму в магнитное поле определенной формы. Если сконструировать реактор так, чтобы плазма никогда не касалась его стен, содержащееся в ней тепло не уйдет в окружающую среду, а стены реактора не расплавятся и не сгорят.

Охота на термоядерную энергию началась во время холодной войны с обеих сторон железного занавеса. В 1968 году советские ученые сообщили, что им удалось изготовить плазму под воздействием высокой температуры в магнитном поле в виде пончика – она называется «токамак». Вскоре такого же результата добились британские физики. Сегодня ученые со всего мира совместно работают над строительством самого крупного в мире экспериментального термоядерного реактора во Франции (ITER). Согласно плану, первую плазму токамак проекта ITER произведет в 2025 году[291].

Проблема токамака в том, что управлять им нужно очень точно, а магнитное поле удерживается благодаря тому, что электрический ток все растет, и растет, и растет. Разумеется, долго этот процесс продолжаться не может, а инженеры ITER рассчитывают, что им удастся удерживать плазму примерно полчаса, до того как механизм придется отключить и охладить. Подобного рода постоянные колебания температуры предъявляют очень высокие требования к материалам, которые применяются для строительства реактора.

Еще один замысел носит футуристичное название «стелларатор»: магнитное поле имеет безумно сложную форму, благодаря которой механизм можно охлаждать, не делая перерывов. Впервые идею подобного реактора предложили в 1950-е годы, но мощность компьютеров позволила ученым подступиться к задаче по разработке сложной геометрии только в 1980-е годы. В 2016 году в Германии стелларатор Wendelstein 7-X справился с задачей и удерживал плазму водорода при температуре более 10 миллионов градусов примерно одну секунду[292], а теперь ученые работают над его усовершенствованием.