Ядреният синтез означава обединяване на два леки ядра в едно по-тежко ядро. Синтезът или термоядрените реакции на леки елементи са типични реакции, протичащи в Слънцето и другите звезди. Всъщност в Слънцето всяка секунда 657 милиона тона водород се синтезират в 653 милиона тона хелий. 4-те милиона тона разлика в масата се превръщат в излъчване – и така Слънцето свети. Екстремните температури и условията на високо налягане създават силно йонизирано вещество, наречено плазма, което се задържа заедно от гравитационните сили.

Реакция на синтез, при която се отделя относително голямо количество енергия (27,7 МеВ), е тази, при която четири реагиращи протона водят до образуването на хелиево ядро (алфа частица). Тъй като в този процес се синтезират водородни изотопи, а водородът практически е навсякъде около нас, идеята за получаване на енергия от синтеза на водород е изключително привлекателна: тя предлага привидно неограничен източник на енергия за бъдещите поколения!

Реакциите на синтез обаче не са лесни за постигане на Земята. Трябва да се има предвид, че необходимите температури са изключително високи, обикновено от порядъка на стотици милиони Келвина. И след като горещата плазма е създадена, проблемът с поддържането й не е никак тривиален.

Ето списък на реакции на синтез на леки ядра, които могат да се разглеждат за практически приложения:

За да се инициира реакция на синтез, трябва да се преодолее кулоновото отблъскване между ядрата. Следователно те трябва да имат висока (от няколко кеВ до няколкостотин кеВ) начална кинетична енергия (по-късно ще говорим за друга възможност за иницииране на синтез при ниски температури, чрез т.нар. мезон-катализиран синтез). Лесно е да ускорим леки частици до такива енергии. Но енергията, необходима за задвижване на ускорителите, далеч надвишава получената от синтеза. По-практично е да се използва различен подход: кинетичната енергия на реагентите може да бъде резултат от високата температура на газ от частиците. При температури от десетки или стотици милиони Келвина електроните се отделят от атомите, така че реагентите съществуват като гореща плазма. Затова се говори за “термоядрени” реакции.

Основният технически проблем е създаването на изключително висока температура и налягане в йонизирания газ: плазмата и нейното задържане достатъчно дълго, за да се предизвика синтезът и по този начин отделянето на енергия. Веднъж постигнато и при достатъчно реакции на синтез, условията могат да се самоподдържат – тоест подаването на прясно гориво трябва да осигури непрекъснато производство на енергия.

Необходимото условие за отделяне на енергия от термоядрен реактор е дадено от т.нар. критерий на Лоусън, който гласи, че произведението на плътността на ядрата в плазмата и времето на задържане на плазмата при подходящата температура на запалване трябва да надвишава определена прагова стойност. За реакцията на синтез D-T например:

n_eτ_E ≥ 1.5 × 10²⁰ s/m³

Необходимостта от високи температури означава, че плазмата не може да бъде в контакт с материала на стените. Затова трябва да се разработят специални техники за задържане на плазмата.

Съществуват три метода за задържане на плазмата: гравитационно, магнитно и инерционно. В звездите задържането се дължи на гравитационното им поле, което създава достатъчно високо налягане. Такъв вид задържане обаче не е приложим на Земята. Вместо това могат да се използват силни магнитни полета за улавяне на плазмата при метода на магнитното задържане, или при т.нар. инерционно задържане – водородни гранули се компресират чрез мощен лазер или частични лъчи.

При магнитното задържане, където плътността на частиците е по-голяма от около 10²⁰/m³, времето на задържане, дадено от критерия на Лоусън, трябва да е по-дълго от 1s. При инерционното задържане например типичната плазмена плътност е ≈ 10³¹/m³, а времето на задържане трябва да е от порядъка на 10^-11s.

Най-вероятната реакция за практически приложения е синтезът на деутерий и тритий, D + T → ⁴He + n + 17,58 МеВ, въпреки че се разглеждат и реакции деутерий-деутерий. Деутерият лесно се открива във водата (30 грама на кубичен метър). Тритият обаче трябва да бъде произведен или в ядрен реактор, или отгледан в реактор за синтез от литий – елемент, намиращ се в земната кора в големи количества.

Това може да се постигне чрез използване на сравнително дебело (около 1 м) одеяло от литий, съдържащо и берилий, обграждащо сърцевината на реактора. Литият ще поглъща неутрони, които се забавят в одеялото, и ще се превръща в тритий и хелий. Отделената енергия загрява одеялото, като по този начин стартира конвенционалното производство на енергия. Ролята на берилия се състои в поддържането на достатъчен брой неутрони в системата.

Движението на заредени частици в плазмата може да се контролира от zewnętrzne магнитно поле. В затворени системи за магнитно задържане, наречени токамак реактори, плазмата (напр. D-T) се нагрява и задържа при плътности до 10²¹ частици на кубичен метър. Магнитните полета са проектирани да държат частиците далеч от стените на корпуса. В противен случай плазмата веднага би се „охладила" и реакциите на синтез биха спрели.

В допълнение към много високата температура, магнитното налягане за задържане на плазмата също е впечатляващо. При атмосферна плътност на частиците (около 10²⁷ частици на кубичен метър) и термична енергия от 10 кеВ, магнитното налягане трябва да надвишава 10⁸ hPa. Намотките на полето и техните механични опори не могат да издържат такива налягания! За да се намали налягането, трябва да се намали плътността на частиците. За да се изпълни критерият на Лоусън, трябва да се поддържа горещата плазма за по-дълго време.

Най-ефективната конфигурация на магнитното поле се оказа тороидалната. Камерата на реактора има формата на поничка и образува затворена „магнитна бутилка". Всъщност, за да се осигури стабилност на плазмата, магнитните силови линии следват спирален път. Такова задържане се осигурява от устройства, известни като токамаки, стеларатори и обратен магнитен стискач (RFP).

В токамака поредица от бобини са поставени около тороидалната камера. Трансформаторното ядро минава през центъра на токамака, докато токът на плазмата образува вторична верига. Перпендикулярното, т.нар. полоидално поле се индуцира вътрешно, от тока, управляван в плазмата, и външно, от полоидалните полеви бобини, позиционирани около периметъра на съда.

Този ток също нагрява плазмата до необходимата висока температура от около 10 милиона К. Идеята за токамака произхожда от руските физици Андрей Сахаров и Игор Там. Основните недостатъци на токамаците са сравнително тесният оперативен диапазон от параметри. Най-големият токамак, построен досега, беше Съвместният европейски торус (JET).

В стеларатора плазмените условия се регулират от токове, циркулиращи извън плазмата. Спиралните силови линии в стелараторите се произвеждат от поредица бобини, които сами по себе си са спирални.

Най-големият стеларатор, Голямото хелично устройство (LHD), снимано по-долу, започна работа през 1998 г. в Националния институт за изследване на синтеза на Япония. Тъй като в стелараторите не се индуцира ток в плазмата, нагряването трябва да се постигне с различни средства, например чрез подаване на електромагнитно излъчване към плазмата. Такава техника се планира в Грайфсвалд в Германия. Тези устройства са подобни на токамаците по отношение на тороидалните и полоидалните полета. Токовете обаче са много по-силни, а посоката на тороидалното поле в плазмата се обръща на ръба на плазмата. Такъв вид система се използва в Падуа, Италия, наред с другите места.

Техниката на инерционно задържане на синтеза (ICF) се основава на подготвена D-T горивна гранула, която след това бързо се нагрява, за да се достигне температурата и налягането, необходими за достигане на плазмено състояние.

Това се постига чрез компресиране на гранулата чрез бомбардиране й с мощни, добре фокусирани лазерни светлинни импулси. При такива условия повърхността на гранулата се изпарява и образува плазмена корона. Плазмата се разширява и генерира навътре движещ се компресионен фронт, който кара гранулата да имплодира, причинявайки мигновена реакция на синтез.

Най-напредналата система за синтез, основана на инерционно задържане, е NOVA в Националната лаборатория Лоуренс Ливермор, САЩ. Изследователите в NOVA са демонстрирали, че при компресия може да се постигнат плътности 600 пъти по-високи от тази на течната D-T смес и 20 пъти по-високи от плътността на олово.

Европейската общност стартира програмата Съвместен европейски торус – JET през 1978 г. Основната цел на JET беше да провежда тестове върху синтеза, физиката на плазмата и условията на стабилност. Кълъм в Великобритания беше избран за местоположение на JET.

Устройството, всъщност най-големият токамак, произведен досега, беше готово за работа през 1983 г. и първата контролирана мощност от синтез беше произведена през ноември 1991 г. Рекордната мощност от 16 МВт беше постигната за една секунда през 1997 г. с гориво от смес деутерий-тритий. Експериментът JET показа, че контролираният синтез е възможен.

Неговият наследник е ITER, международен изследователски и инженерен проект, който в момента изгражда най-големия в света експериментален токамак ядрен реактор за синтез в Кадараш, Франция. Проектът ITER има за цел да осъществи дълго чаканото преминаване от експериментални изследвания на физиката на плазмата към пълномащабни електроцентрали за производство на електричество чрез синтез.

Националното съоръжение за запалване (NIF), намиращо се в Калифорния, САЩ, е най-голямото и най-мощното лазерно съоръжение в света, и една от целите му е постигането на ядрен синтез и енергийна печалба в лабораторията за първи път – по същество създаване на миниатюрна звезда на Земята.

NIF използва мощни лазери за нагряване и компресиране на малко количество водородно гориво до точката, в която се извършват реакции на ядрен синтез. NIF е най-голямото и най-мощното ICF устройство, построено досега, и първото, от което се очаква да достигне дългоочакваната цел за „запалване", произвеждайки повече енергия, отколкото е вложена за стартиране на реакцията. Мисията му е да постигне ядрен синтез с висока енергийна печалба в лабораторията и да поддържа поддръжката и проектирането на ядрени оръжия чрез изследване на поведението на материята при условията, намерени в ядрените оръжия.

Екстремните температури и налягания, създадени вътре в целевата камера на NIF, позволяват на учените да провеждат безпрецедентни експерименти в науката за висока енергийна плътност и да получават нови прозрения за астрофизични явления като свръхнови, гигантски планети и черни дупки.

Синтезът е в известен смисъл обратната реакция на ядреното делене. При последното от тежко ядро се създават ядра с по-малки маси и сборът на произведените маси е по-малък от масата на тежкото ядро. При синтеза масата на по-тежкото ядро е по-малка от сбора на началните маси на по-леките ядра.

Лесно е да се види, че за да се инициира такава реакция, относителните енергии на сблъскващите се ядра (не забравяйте, те са положително заредени!) трябва да са достатъчно високи, за да преодолеят електрическото им отблъскване. Следователно, за да се образуват хелиеви атоми от, например, синтеза на деутерий и тритий, горивото трябва да се поддържа при изключително висока температура и налягане.

В описаната реакция се произвежда неутрон. Този неутрон има много висока кинетична енергия, която се отдава по време на процеса на забавяне. Тази енергия може да се преобразува в топлина за получаване на пара, която от своя страна може да задвижи турбина и да управлява електрически генератор. Неутроните, произведени при такива реакции на синтез, могат да се използват и за производство на ядрено гориво от обеднен уран, т.е. уран, съдържащ по-малко ²³⁵U от природния уран (0,72%).

Около един на всеки 6000 водородни атома около нас (включително водорода, съхраняван във водата) е деутериев атом. Това изобилие е мощен стимул за разработване на някаква форма на инсталация за реакция на синтез – тъй като това ефективно би дало на човечеството енергийно снабдяване може би за милиарди години!

За сравнение: за производство на 1 ГВт-година електрическа енергия са необходими около 35 тона UO₂ за делене и около 100 кг деутерий плюс 150 кг тритий за синтез. Друг аспект, правещ синтеза привлекателен, е почти пълната липса на каквито и да е радиоактивни странични продукти. По-специално, при работата на електроцентрала за синтез няма да се получи материал, който може да се използва за производство на ядрени оръжия. Също така, за разлика от ядрените реактори, използващи делене, взривът на инсталацията е практически невъзможен: ако би настъпил взрив, плазмата ще се разшири и охлади, което имплицитно ще спре процеса на синтез.

Това не означава, че няма опасности, свързани с реакторите за синтез. По-специално, трябва да се има предвид масовото производство на неутрони и на радиоактивен тритий. Наличието на разтопени литиеви соли и на канцерогенния берилий също би представлявало проблем.

Като при реакторите за делене, при реакторите за синтез също се произвежда значително количество йонизиращо лъчение (особено неутрони). Затова се очаква един от основните проблеми да бъде защитата срещу индуцирана радиоактивност в цялата инсталация. Трябва сериозно да се отчете опасността, свързана с възможна авария на магнитната система, която съхранява изключително големи количества енергия. През 1992 г. беше създаден екип, наречен Европейска оценка на безопасността и околната среда на синтезната мощност (SEAFP). Целта на екипа е да работи върху проектирането на електрически централи за синтез, техните условия на безопасност и оценка на въздействието им върху околната среда. Според оценките на SEAFP, основните предимства на синтеза пред ядрените централи за делене се състоят в това, че в най-лошия сценарий изхвърлянето на радиация никога няма да бъде на ниво, което би принудило хората да евакуират. Освен това радиоактивните отпадъчни материали, произведени в електрическите централи за синтез, се разпадат сравнително бързо и не изискват изолация от околната среда. Специфичен проблем е свързан с възможното изхвърляне на радиоактивен тритий в околната среда. Този радиоактивен газ е силно проникващ, лесно се разтваря във вода и може да остане опасен дълго след създаването му (полуживотът на тритий е около 12 години).

Досега всички обещания и надежди за производство на енергия се оказаха преждевременни – едва не много отдавна произведената енергия е равна на енергията, подадена към системата (за първи път в американския TFTR и японския JT60, и в Съвместния европейски торус – JET). Основните предизвикателства са: поддържане на стабилна плазмена конфигурация, намиране на материали, издържащи интензивните потоци неутрони, извличане на енергия за полезни цели и производство на значително повече енергия, отколкото е вложена.

В момента начело на усилията за комерсиализиране на мощността от синтез е ITER, датиращ от 1985 г. Проектът придоби нов тласък след учредяването на Организацията ITER през 2007 г. с Китай, ЕС, Индия, Япония, Южна Корея, Русия и САЩ като членове. Машината се изгражда сега в Кадараш, Франция, с цел да постигне 500 МВт мощност и коефициент на синтез Q=5-10 в рамките на проектния срок от 30 години.

Полагане на основите под бъдещата сграда на токамака – Кадараш, февруари 2014 г.

За съжаление, термоядрената енергия (както и другите форми на енергия) вече е използвана за военни цели в т.нар. водородна бомба.