В протопланетных дисках вода фактически вездесуща. Недавние исследования содержания воды в ранних планетарных системах, подобных нашей, показывают, что вода является обильной и вездесущей молекулой, изначально синтезированной на поверхности крошечных зерен межзвездной пыли путем гидрогенизации замороженного кислорода, сообщается в журнале Elements. В молекулярном облаке, из которого возникнет новая планетарная система, кислород прикрепляется и замерзает к пылевым зернам, с которыми он сталкивается. Как только молекула водорода пересекается с этим замороженным кислородом, образуется водяной лед.
В результате реакции может образоваться два типа воды: обычная вода, состоящая из кислорода и водорода, или тяжелая вода, состоящая из кислорода и дейтерия — изотопа водорода с протоном и нейтроном в ядре. Образование водяного льда вокруг зерен пыли является первым этапом процесса, который исследователи называют «холодной фазой». Со временем материя собирается в центре туманности, и начинает действовать гравитационная сила. В результате повышения температуры вокруг центра — область, которую эксперты называют горячей корино, — лед превращается в водяной пар. Вода становится самой распространенной молекулой в этой области.
«В типичной горячей корине содержится примерно в 10 000 раз больше воды, чем в океанах Земли», — пишут два автора — Чечилия Чеккарелли, итальянский астроном из Института планетарных наук и астрофизики в Гренобле, Франция, и Фуджун Ду, астроном из обсерватории Пурпурной горы в Нанкине, Китай. Эта стадия сублимации льда в пар является второй фазой процесса, которую исследователи называют «фазой протозвезды».
Эта протозвезда еще не начала реакции синтеза, но она начинает вращаться; окружающие ее газ и пыль образуют так называемый протопланетный диск, из которого будут происходить различные объекты этой новой системы. Молодая звезда продолжает набирать массу, но при этом выделяет мало тепла; протопланетный диск все еще холодный.
Затем наступает третья фаза процесса: водяной пар, образовавшийся во второй фазе, реконденсируется в самых холодных частях протопланетного диска; зерна пыли снова покрываются ледяными мантиями. Из этих пылевых зерен, окруженных замерзшей водой, постепенно формируется планетарная система: появляются планеты, кометы и астероиды, которые вращаются вокруг своей звезды. Так возникла Земля.
Поэтому синтез воды происходит в два момента времени, в разных условиях: первый раз, когда система еще представляет собой холодное облако, второй — когда формируется протопланетный диск. В нашей Солнечной системе возраст воды, образовавшейся в результате первого синтеза, составляет 4,5 миллиарда лет. Для того чтобы определить возраст земной воды, необходимо определить, какое количество этой воды оказалось на Земле.
Исследователи отмечают, что соотношение изотопов водорода имеет решающее значение для понимания происхождения воды в планетарных телах. Во время холодной фазы температура чрезвычайно низка, что приводит к явлению, называемому супердейтерация. В этих условиях в водяной лед поступает больше дейтерия.
В момент рождения Вселенной, через несколько секунд после Большого взрыва, количество дейтерия было очень маленьким — всего один атом дейтерия на каждые 100 000 атомов стандартного водорода (или протия). Но в горячем корине, из-за предшествовавшей ему супердейтерации, изобилие не следует этой схеме. «В горячих коринах соотношение HDO/H2O лишь немного меньше 1:100. [Обилие дважды дейтерированной воды, D2O, составляет 1/1000 по отношению к H2O, или примерно в 107 раз больше, чем можно было бы предположить на основе соотношения обилия элементов D/H]», — утверждают авторы исследования.
Исследователи показали, что обилие тяжелой воды является характеристикой первого синтеза. Чтобы выяснить, какое количество этой воды достигло Земли, они сравнили значения отношения тяжелой воды к нормальной, HDO/H2O, на Земле со значениями в горячих точках корино в других формирующихся системах. Предыдущие исследования показали, что это соотношение примерно в десять раз выше, чем элементарное соотношение D/H во Вселенной и, следовательно, при рождении Солнечной системы.
По оценкам исследователей, от 1% до 50% воды Земли происходит из ранней фазы зарождения Солнечной системы, поэтому значительная часть нашей воды имеет возраст 4,5 миллиарда лет. Эта вода «вероятно, унаследована» от планетезималей, а не комет.
Дейтерий в ядерной энергетике
Дейтерий — тяжелый изотоп водорода. В питьевой воде дейтерия ничтожно мало — порядка 150 атомов на 1 млн атомов водорода. Дейтериевая вода, также известная как тяжелая вода, используется в атомной промышленности в качестве замедлителя быстрых нейтронов и теплоносителя. Выделяют дейтерий несколькими способами: с помощью электролиза, ректификации жидкого водорода или водородосодержащих соединений. В производстве тяжелой воды задействованы целые заводы, которые, чтобы получить большую концентрацию дейтерия, в определенных условиях выпаривают сотни тонн воды. Для получения токсичной тяжелой воды нужно сконцентрировать дейтерий в несколько тысяч раз.
Япония получила «первую плазму» на крупнейшем в мире термоядерном реакторе JT-60SA, эти эксперименты на JT-60SA позволят лучше подготовиться к запуску реактора во Франции. На последующих этапах пути этих реакторов разойдутся. Японский реактор может работать только на дейтериевом топливе, тогда как реактор ИТЭР со временем сможет перейти на более эффективное дейтерий-тритиевое топливо. Тем не менее, эксперименты на JT-60SA позволят японцам разработать собственную термоядерную электростанцию — проект DEMO, которую они намерены построить к 2050 году. А пока тон в отрасли задают китайцы, опытные термоядерные реакторы которых разогревают плазму до температур свыше 100 млн °C на сотни секунд.
Во многих странах мира сегодня ведутся исследования и эксперименты, призванные поставить термоядерный синтез на службу энергетике и разработать модель промышленного термоядерного реактора. К сожалению, эти планы натыкаются не множество технических и научных проблем. Одна из них – поглощение водорода внутренней стенкой реактора. В Национальном исследовательском университете «МИФИ» впервые в мире разработана математическая модель, призванная помочь решению этой проблемы.
Сердце термоядерного реактора — камера, в которой горит раскаленная плазма: происходит процесс синтеза атомов гелия из атомов водорода. Магнитные поля не дают горящей плазме соприкасаться с поверхностью камеры, но, к сожалению, полностью исключить взаимодействие плазмы и стенок реактора невозможно.
Мельчайшие «брызги» раскаленной плазмы могут ударяться о стенку, выбивая из нее небольшие осколки и частицы — иногда буквально одиночные атомы. Эти отколовшиеся от стенки частицы сначала какое-то время летят по камере реактора, а затем осаждаются обратно на стенку. Проблема, однако даже состоит не в этом, а в том, что отколотые от поверхности частицы, осаждаясь, увлекают с собой атомы рабочего газа плазмы – а это различные изотопы водорода.
Этот процесс называют соосаждением — то есть совместное осаждение на поверхность частиц вольфрама и водорода. В результате, на поверхности камеры термоядерной установки растет водородонасыщенная пленка. Именно этот механизм ответственен за большую часть накопления водорода в камере.
Плохо это по трем причинам. Во-первых, в составе рабочего газа в термоядерном реакторе имеется радиоактивный изотоп водорода — тритий. Его накопление в стенке реактора может создавать угрозы для радиационной безопасности. Во-вторых, тритий – весьма дорогое сырье, и, если он теряется для рабочего процесса – это негативно влияет на экономику термоядерного реактора.
В-третьих, в моменты плазменных разрядов поверхность будет нагреваться и поглощенный водород будет выделяться обратно — а это уже будет влиять на саму термоядерную реакцию. Любой водород, который будет выделяться из стенки реактора будет по сравнению со плазмой холодным. Измеряемая в электро-вольтах энергия плазмы в реакторе будет примерно в 100 000 раз больше, чем энергия водорода, выделяющегося из стенки. И холодный водород может негативно влиять на горение плазмы.
Важнейший вопрос, которые сегодня решается в рамках проекта международного термоядерного реактора ИТЭР заключается в том, чтобы предсказывать накопление водорода в стенках реактора – а это, в свою очередь, нужно, например, для того, чтобы знать, как часто придется «обеззараживать» стенки от накопленного водорода. Старший научный сотрудник кафедры физики плазмы Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» Степан Крат стал автором первой в мире математической модели процесса накопления водорода в поверхности термоядерного реактора.
Один из важных пунктов предлагаемой теории заключается в том, что она исследует поведение разных изотопов водорода в этом процессе. В предполагаемых энергетических термоядерных реакторах (в том числе в ИТЭРе) будет использоваться смесь двух изотопов водорода – дейтерия и трития. Удельный вес двух этих газов разный (тритий тяжелее). Степан Крат со своими коллегами впервые выдвинул гипотезу, что параметры процессов соосаждения дейтерия и трития будут отличаться друг от друга, а ситуация для смеси двух этих газов будет подчиняться третьему набору параметров .
Предложенная теоретическая модель описывает случай для смеси двух и более изотопов водорода и показывает, что механизмы их поглощения стенками реактора подчиняются сложным нелинейным закономерностям, зависящим от множества факторов. Результаты моделирования были опубликованы в Journal of Nuclear Materials(внешняя ссылка). Соавторами публикации кроме Степана Крата стали сотрудники НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян и Александр Пришвицын. Уже после публикации гипотеза Степана Крата была экспериментальна проверена в НИЯУ МИФИ на смеси двух нерадиоактивных изотопов водорода — дейтерия и протия.