Возможен ли управляемый термоядерный синтез в условиях Земли?
Идея использования термоядерного синтеза для промышленных целей была высказана 60 лет тому назад в 1950 году. Идея казалась простой. Четыре атома водорода сливаются в один атом гелия, при этом выделяется колоссальное количество энергии и никакой радиации. Водорода на земле много, значит, можно будет иметь много чистой энергии. Вскоре эта идея осуществилась, только не для промышленных, а для военных целей - была создана водородная бомба. Казалось, осталось доработать немногое - замедлить процесс так, чтобы он стал не взрывным, а протекающим с управляемой скоростью. Проблема казалась разрешимой. О грядущем энергетическом изобилии писали в школьных учебниках, рассказывали в средствах массовой информации, снимали популярные фильмы.
Началось со строительства токомаков - тороидальных установок для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза (рис. 1, http://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%EE%EA%E0%EC%E0%EA).
Всего в мире было построено около 300 токамаков (по самым скромным подсчётам это обошлось в $150 млрд.). Но и по сей день ни один из построенных токамаков не пригоден для промышленных целей. Главная проблема заключается в том, что кольцевой плазменный шнур с параметрами, достаточными для протекания термоядерных реакций, является короткоживущим. Недавно в Интернете появилось очередное "обнадёживающее" сообщение (http://science.compulenta.ru/268602) : "Японские учёные установили новый рекорд в физике плазмы - они смогли удерживать плазму в токамаке JT-60 на протяжении 28,6 секунд. Эта цифра практически в два раза превышает рекорд 2004 года, который составляет 16,5 секунд". Такое "обнадёживающее" сообщение, когда речь идёт об использовании термоядерного синтеза для промышленных целей, может восприниматься только как насмешка. "Учёные приходят на работу, включают реактор, реакция быстро происходит, вроде бы, выключают, и сидят и думают. В чём же причина? Что делать дальше? И так десятилетиями, безрезультатно… Пройден большой путь и сделано много, для достижения конечной цели. Но, к сожалению, результат отрицательный. Управляемый термоядерный реактор не создан. Ещё лет 30...40 и обещания учёных будут выполнены. А будут ли? 60 лет нет результата. Почему он должен получиться через 30...40 лет, а не через три года?" (http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm). В настоящее время на слуху ITER - проект международного экспериментального термоядерного реактора. Проектирование реактора закончено, выбрано место для его строительства - на юге Франции. В проект строительства ITER входят Китай, Япония, Южная Корея, Россия, США, страны ЕС и Индия. Стоимость проекта первоначально оценивалась в 12 млрд долларов. В июле 2010 году из-за изменения проекта и удорожания материалов стоимость строительства международного термоядерного реактора ITER была скорректирована и увеличилась до 15 млрд евро. Планируемый срок сдачи реактора 2015 год. Что можно ожидать от очередного токамака, пусть и очень большого? Но ведь на Солнце непрерывно осуществляется невзрывная термоядерная реакция!
Мне история с токамаками напоминает историю с вечными двигателями. Каждый очередной изобретатель вечного двигателя ждёт, что он вот-вот заработает. А он не работает. Но изобретатели вечных двигателей не знают одного из основных законов физики - закона сохранения энергии. Возможно создатели токамаков тоже чего-то не знают? Да, вероятно, это так и есть. Они не знают свойств не так давно открытой структуры вакуума Космоса (http://www.worldspace.nm.ru/ru/articles/pdf/vivvd-1.pdf). Впрочем, лучше предоставить слово самому автору открытия А.В. Рыкову:
"Астрофизики подтвердили после 1998 года, что Вселенная обладает скрытыми (без излучения) "тёмными" энергией и материей. Открытие структуры вакуума дает возможность понимания указанных "тёмных" сущностей Вселенной. Основанием для такого утверждения является неразрывная связь гравитации и антигравитации, ответственной за "тёмную" энергию. Структура вакуума имеет электромагнитный характер и образована кристаллической решёткой с элементарными зарядами в её узлах величиной (+.-)1,602176462е -19 кулон и потоками магнитной индукции, связанными с зарядами, величиной Ф=4,8032042е -18 Вебер. Решётка с размером элемента 1,3987631е -15 м выполняет функцию "тёмной" энергии, поток магнитной индукции выполняет функцию "тёмной" материи.
Шаг структуры вакуума в 37832 меньше радиуса атома водорода, что объясняет невозможность экранирования гравитации и других подобных действий (снятия электрической напряжённости с зарядов структуры). Она неподвижна и жёстко связана с вакуумом Вселенной, в которой распространяется свет согласно Максвеллу. Малость структуры обеспечивает её присутствие и проникновение в любые объекты и устройства, выполненные людьми. Это проникновение есть и в опытные установки типа Токамак. В современных установках с магнитными ловушками плазмы дейтерия или трития всепроникающая структура вакуума разрушает магнитную изоляцию и освобождает из неё плазму. Это есть причина неудач попыток получения термоядерной энергии на Земле. На Солнце все термоядерные реакции ограничены в пространстве гравитацией с ускорениями силы тяготения 273 м/сек 2 , что невозможно выполнить на Земле."
От себя могу только добавить, что температура в центре Солнца порядка 15 млн. градусов, а давление и плотность тоже несопоставимы с тем, что можно обеспечить на Земле.
Упорное стремление овладеть термоядерной энергией обусловлено гигантскими потребностями в энергии промышленности, да и всей инфраструктуры нашей цивилизации. А между тем, давно уже назрел момент, когда можно и нужно было переходить от старых энергопожирающих технологий к новым технологиям, основанным на идеях бионики. И если бы, пусть не 60 лет тому назад, а хотя бы 20-30 лет тому назад, средства, вложенные за это время в создание токамаков, были направлены на развитие энергосберегающих технологий, наша планета не стояла бы перед проблемами энергетического голода и экологической катастрофы.
1. Подготовлено проектом "Астрогалактика" 2. Публикация проекта, 5 октября 2011 года 3. Автор статьи Л.М. Топтунова для проекта "Астрогалактика"
Инновационные проекты с использованием современных сверхпроводников в ближайшее время позволят осуществить управляемый термоядерный синтез - так утверждают некоторые оптимисты. Эксперты, однако, предсказывают, что практическое применение займет несколько десятилетий.
Энергия термоядерного синтеза считается потенциальным источником Это чистая энергия атома. Но что же она собой представляет и почему ее так сложно добиться? Для начала следует разобраться с различием между классическим и термоядерным синтезом.
Деление атома состоит в том, что радиоактивные изотопы - уран или плутоний - расщепляются и превращаются в другие высокорадиоактивные изотопы, которые затем должны быть захоронены или переработаны.
Синтеза заключается в том, что два изотопа водорода - дейтерий и тритий - сливаются в единое целое, образуя неядовитый гелий и единственный нейтрон, не производя радиоактивных отходов.
Реакции, которые происходят на Солнце или в водородной бомбе, - это синтез термоядерный, и перед инженерами стоит грандиозная задача - как контролировать этот процесс на электростанции?
Это то, над чем ученые работают начиная с 1960-х годов. Очередной экспериментальный реактор термоядерного синтеза под названием Wendelstein 7-X начал работу в северном немецком городе Грайфсвальде. Пока еще он не предназначен для создания реакции - это просто особая конструкция, которая проходит испытания (стелларатор вместо токамака).
Все термоядерные установки обладают общей чертой - кольцеобразной формой. В ее основе лежит идея использования мощных электромагнитов для создания сильного электромагнитного поля, имеющего форму тора - надутой велосипедной камеры.
Это электромагнитное поле должно быть настолько плотным, что, когда оно нагревается в микроволновой печи до одного миллиона градусов по Цельсию, в самом центре кольца должна появиться плазма. Затем она зажигается, чтобы синтез термоядерный мог начаться.
В Европе в настоящее время проводится два подобных эксперимента. Одним из них является Wendelstein 7-X, который недавно сгенерировал свою первую гелиевую плазму. Другой - ITER - огромная экспериментальная установка термоядерного синтеза на юге Франции, которая все еще находится в стадии строительства и будет готова к запуску в 2023 году.
Предполагается, что на ITER будут происходить настоящие ядерные реакции, правда, лишь в течение короткого периода времени и уж точно не дольше 60 минут. Этот реактор является лишь одним из многих шагов на пути к тому, чтобы на практике осуществить ядерный синтез.
Недавно несколько конструкторов объявили о создании нового дизайна реактора. По словам группы студентов из Массачусетского технологического института, а также представителей компании - производителя вооружений «Локхид Мартин», термоядерный синтез можно осуществить в установках, которые гораздо мощнее и меньше, чем ITER, и они готовы сделать это в течение десяти лет.
Идея новой конструкции заключается в использовании в электромагнитах современных высокотемпературных сверхпроводников, которые проявляют свои свойства при охлаждении жидким азотом, а не обычных, для которых необходим Новая, более гибкая технология позволит полностью изменить конструкцию реактора.
Клаус Хеш, отвечающий за технологии в Технологическом институте Карлсруэ на юго-западе Германии, настроен скептически. Он поддерживает использование новых высокотемпературных сверхпроводников для новых конструкций реакторов. Но, по его словам, что-то разработать на компьютере с учетом законов физики недостаточно. Необходимо принять во внимание вызовы, которые возникают при воплощении идеи на практике.
По словам Хеша, модель студентов MIT показывает лишь возможность осуществления проекта. Но на самом деле в ней много научной фантастики. Проект предполагает, что серьезные технические проблемы термоядерного синтеза решены. Но современная наука не имеет ни малейшего представления о том, как их решить.
Одной из таких проблем является идея разборных катушек. Для того чтобы попасть внутрь кольца, удерживающего плазму, в модели MIT-дизайна электромагниты могут быть разобраны.
Это было бы очень полезно, потому что можно бы было иметь доступ к объектам во внутренней системе и заменять их. Но в действительности сверхпроводники выполнены из керамического материала. Сотни их должны быть переплетены изощренным способом, чтобы сформировать правильное магнитное поле. И здесь возникают более фундаментальные трудности: соединения между ними не так просты, как соединения медных кабелей. Никто еще даже не задумывался о концепциях, которые бы помогли решить подобные проблемы.
Высокая температура также представляет собой проблему. В сердцевине термоядерной плазмы температура достигнет около 150 миллионов градусов по Цельсию. Эта экстремальная жара остается на месте - прямо в центре ионизированного газа. Но даже вокруг нее все еще очень жарко - от 500 до 700 градусов в зоне реактора, являющейся внутренним слоем металлической трубы, в которой будет «воспроизводиться» тритий, необходимый для того, чтобы происходил ядерный синтез.
Имеет еще большую проблему - так называемый выпуск мощности. Это часть системы, в которую из процесса синтеза поступает использованное топливо, в основном гелий. Первые металлические компоненты, в которые попадает горячий газ, называются «дивертор». Он может нагреваться свыше 2000 °C.
Чтобы установка могла выдерживать такие температуры, инженеры пытаются использовать металлический вольфрам, применяемый в старомодных лампах накаливания. Температура плавления вольфрама около 3000 градусов. Но есть и другие ограничения.
В ITER это можно сделать, потому что нагрев в ней происходит не постоянно. Предполагается, что реактор будет работать лишь 1-3 % времени. Но это не вариант для электростанции, которая должна работать в режиме 24/7. И, если кто-то утверждает, что способен построить меньший реактор с такой же мощностью, как ITER, можно уверенно сказать, что у него нет решения проблемы дивертора.
Тем не менее ученые с оптимизмом смотрят на развитие термоядерных реакторов, правда, оно будет не таким быстрым, как предсказывают некоторые энтузиасты.
ITER должен показать, что управляемый термоядерный синтез на самом деле может произвести больше энергии, чем будет затрачено на нагрев плазмы. Следующим шагом будет строительство совершенно новой гибридной демонстрационной электростанции, которая бы на самом деле вырабатывала электроэнергию.
Инженеры уже сейчас работают над ее дизайном. Они должны будут извлечь уроки из ITER, запуск которой запланирован на 2023 г. Принимая во внимание время, необходимое для проектирования, планирования и строительства, кажется маловероятным, что первая термоядерная электростанция будет запущена намного раньше середины XXI века.
В 2014 году независимый тест реактора E-Cat пришел к выводу, что устройство в течение 32 дней в среднем производило 2800 Вт выходной мощности при потреблении 900 Вт. Это больше, чем способна выделить любая химическая реакция. Результат говорит либо о прорыве в термоядерном синтезе, либо об откровенном мошенничестве. Отчет разочаровал скептиков, которые сомневаются в том, была ли проверка действительно независимой и предполагают возможную фальсификацию результатов тестирования. Другие занялись выяснением «секретных ингредиентов», которые позволяют осуществить термоядерный синтез Росси, чтобы воспроизвести эту технологию.
Андреа импозантен. Он издает воззвания к миру на уникальном английском в разделе комментариев своего веб-сайта, претенциозно названного «Журнал ядерной физики». Но его предыдущие неудачные попытки включали итальянский проект превращения мусора в топливо и термоэлектрический генератор. Petroldragon, проект переработки отходов в источник энергии, не удался отчасти потому, что нелегальное захоронение отходов контролируется итальянской организованной преступностью, которая возбудила против него уголовное дело о нарушении правил обращения с отходами. Также он создал термоэлектрическое устройство для Инженерного корпуса сухопутных войск США, но во время тестирования гаджет произвел лишь часть заявленной мощности.
Многие не доверяют Росси, а главный редактор New Energy Times прямо назвал его уголовником, за плечами которого череда неудачных энергетических прожектов.
Росси заключил контракт с американской компанией Industrial Heat на проведение годичных секретных испытаний 1-МВт установки холодного термоядерного синтеза. Устройство представляло собой транспортировочный контейнер, упакованный десятками E-Cat. Эксперимент должен был контролироваться третьей стороной, которая бы могла подтвердить, что действительно имеет место генерация тепла. Росси утверждает, что провел большую часть прошлого года, практически живя в контейнере, и наблюдал за операциями в течение более 16 ч в сутки, чтобы доказать коммерческую жизнеспособность E-Cat.
Тест завершился в марте. Сторонники Росси с нетерпением ждали отчета наблюдателей, надеясь на оправдание своего героя. Но в итоге они получили судебный процесс.
В своем заявлении в суд Флориды Росси утверждает, что тест прошел успешно и независимый арбитр подтвердил, что реактор E-Cat производит в шесть раз больше энергии, чем потребляет. Он также утверждал, что компания Industrial Heat согласилась заплатить ему 100 млн долларов США - 11,5 млн авансом после 24-часового испытания (якобы за права лицензирования, чтобы компания могла продавать эту технологию в США) и еще 89 млн после успешного завершения расширенного испытания в течение 350 дней. Росси обвинял IH в проведении «мошеннической схемы», целью которой была кража его интеллектуальной собственности. Он также обвинил компанию в незаконном присвоении реакторов E-Cat, незаконном копировании инновационных технологий и продуктов, функциональных возможностей и конструкций и неправомерной попытке получить патент на его интеллектуальную собственность.
В другом месте Росси утверждает, что на фоне одной из его демонстраций компания IH получила от инвесторов 50-60 млн долларов и еще 200 млн от Китая после воспроизведения с участием китайских должностных лиц высшего уровня. Если это правда, то на кону намного больше ста миллионов долларов. Industrial Heat отвергла эти претензии как безосновательные и собирается активно защищаться. Что еще более важно, она утверждает, что «в течение более трех лет работала над подтверждением результатов, которых якобы добился Росси со своей E-Cat-технологией, и все безуспешно».
IH не верит в работоспособность E-Cat, и журнал New Energy Times не видит причин, чтобы в этом сомневаться. В июне 2011 года представитель издания посещал Италию, взял интервью у Росси и заснял демонстрацию его E-Cat. Через сутки он сообщил о своих серьезных опасениях относительно способа измерения тепловой мощности. Через 6 дней журналист выложил свое видео на YouTube. Эксперты со всего мира присылали ему анализы, которые были опубликованы в июле. Стало ясно, что это был обман.
Тем не менее ряду исследователей - Александру Пархомову из Российского университета дружбы народов и Проекту памяти Мартина Флейшмана (MFPM) - удалось воспроизвести холодный термоядерный синтез Росси. Отчет MFPM назывался «Конец углеродной эры близок». Причиной такого восхищения стало обнаружение которое невозможно объяснить иначе, как термоядерной реакцией. По мнению исследователей, у Росси есть именно то, о чем он говорит.
Жизнеспособный открытый рецепт холодного ядерного синтеза способен вызвать энергетическую «золотую лихорадку». Могут быть найдены альтернативные методы, которые позволят обойти патенты Росси и оставить его в стороне от многомиллиардного энергетического бизнеса.
Так что, возможно, Росси предпочел бы избежать этого подтверждения.
Текущая версия страницы пока не проверялась
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от, проверенной 4 июня 2018; проверки требуют.
Управляемый термоядерный синтез (УТС ) - синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада , в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях , которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (2 H) и тритий (3 H) , а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3 He) и бор-11 (11 B) . [ ]
Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Олег Лаврентьев .
Исторически вопрос управляемого термоядерного синтеза на мировом уровне возник в середине XX века.
Атомные ядра состоят из двух типов нуклонов - протонов и нейтронов . Их удерживает вместе так называемое сильное взаимодействие . При этом энергия связи каждого нуклона с другими зависит от общего количества нуклонов в ядре, как показано на графике. Из графика видно, что у лёгких ядер с увеличением количества нуклонов энергия связи растёт, а у тяжёлых падает. Если добавлять нуклоны в лёгкие ядра или удалять нуклоны из тяжёлых атомов, то эта разница в энергии связи будет выделяться в виде разницы между затратами на осуществление реакции и кинетической энергией высвобождающихся частиц. Кинетическая энергия (энергия движения) частиц переходит в тепловое движение атомов после соударения частиц с атомами. Таким образом ядерная энергия проявляется в виде нагрева. [ ]
Изменение состава ядра называется ядерным превращением или ядерной реакцией . Ядерная реакция с увеличением количества нуклонов в ядре называется термоядерной реакцией или ядерным синтезом . Ядерная реакция с уменьшением количества нуклонов в ядре - ядерным распадом или делением ядра . [ ]
Установлено, что смесь двух изотопов , дейтерия и трития, требует меньше энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надёжнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов . Особенный интерес вызывают так называемые «безнейтронные» реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на вывод из эксплуатации и утилизацию. Проблемой остаётся то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому реакция D-T считается только необходимым первым шагом. [ ]
Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. [ ]
Реакция, осуществимая при наиболее низкой температуре - дейтерий + тритий :
Такая реакция даёт значительный выход энергии. Недостатки - высокая цена трития, выход нежелательной нейтронной радиации . [ ]
Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3
Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3 , кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится [ ] . Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях ; или добыт на Луне .
Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nT τ (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D- 3 He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.
Также возможны реакции между ядрами дейтерия , они идут немного труднее реакции с участием гелия-3 :
Эти реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3 , а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием .
Возможны и некоторые другие типы реакций. Выбор топлива зависит от множества факторов - его доступности и дешевизны, энергетического выхода, лёгкости достижения требующихся для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и т. д.
Наиболее перспективны так называемые «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий + гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода (но при реакции дейтерий-дейтерий образуется тритий, который может провзаимодействовать с дейтерием, в результате «безнейтронного» термояда нет).
Существуют две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза, разработки которых продолжаются в настоящее время (2017):
Первый вид термоядерных реакторов намного лучше разработан и изучен, чем второй.
Термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего, количество находящихся в нём радиоактивных веществ сравнительно невелико. Энергия, которая может выделиться в результате какой-либо аварии, тоже мала и не может привести к разрушению реактора. При этом в конструкции реактора есть несколько естественных барьеров, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Например, вакуумная камера и оболочка криостата должны быть герметичными, иначе реактор просто не сможет работать. Тем не менее, при проектировании ITER большое внимание уделялось радиационной безопасности как при нормальной эксплуатации, так и во время возможных аварий.
Для того, чтобы предотвратить распространение трития и пыли, если они выйдут за пределы вакуумной камеры и криостата, необходима специальная система вентиляции , которая должна поддерживать в здании реактора пониженное давление . Поэтому из здания не будет утечек воздуха, кроме как через фильтры вентиляции.
При строительстве реактора, например ITER , где только возможно, будут применяться материалы, уже испытанные в ядерной энергетике. Благодаря этому наведённая радиоактивность будет сравнительно небольшой. В частности, даже в случае отказа систем охлаждения естественной конвекции будет достаточно для охлаждения вакуумной камеры и других элементов конструкции. является экзотермической , обеспечивая получение небольшой энергии для реактора. Реакция с 7 Li является эндотермической - но не потребляет нейтронов . По крайней мере, некоторые реакции 7 Li необходимы для замены нейтронов, потерянных в реакции с другими элементами. Большинство конструкций реактора используют естественные смеси изотопов лития.
Существуют, в теории, альтернативные виды топлива, которые лишены указанных недостатков. Но их использованию препятствует фундаментальное физическое ограничение. Чтобы получить достаточное количество энергии из реакции синтеза, необходимо удерживать достаточно плотную плазму при температуре синтеза (10 8 K) на протяжении определённого времени. Этот фундаментальный аспект синтеза описывается произведением плотности плазмы n на время содержания нагретой плазмы τ , что требуется для достижения точки равновесия. Произведение n τ зависит от типа горючего и является функцией температуры плазмы. Из всех видов горючего дейтерий-тритиевая смесь требует самого низкого значения n τ , по меньшей мере на порядок, и самую низкую температуру реакции, по меньшей мере в 5 раз. Таким образом, реакция D-T является необходимым первым шагом, однако использование других видов горючего остаётся важной целью исследований. [ ]
Энергия синтеза рассматривается многими исследователями в качестве «естественного» источника энергии в долгосрочной перспективе. Сторонники коммерческого использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу:
Критики указывают, что вопрос о рентабельности ядерного синтеза в производстве электроэнергии в общих целях остаётся открытым. В том же исследовании, проведённом по заказу Бюро науки и техники британского парламента, указывается, что себестоимость производства электроэнергии с использованием термоядерного реактора будет, вероятно, в верхней части спектра стоимости традиционных источников энергии. Много будет зависеть от доступной в будущем технологии, структуры и регулирования рынка. Стоимость электроэнергии напрямую зависит от эффективности использования, длительности эксплуатации и стоимости утилизации реактора .
Несмотря на распространённый оптимизм (с начала первых исследований 1950-х годов), существенные препятствия между сегодняшним пониманием процессов ядерного синтеза, технологическими возможностями и практическим использованием ядерного синтеза до сих пор не преодолены. Неясным является даже то, насколько может быть рентабельным производство электроэнергии с использованием термоядерного синтеза. Хотя наблюдается постоянный прогресс в исследованиях, исследователи то и дело сталкиваются с новыми проблемами. Например, проблемой является разработка материала, способного выдержать нейтронную бомбардировку, которая, как оценивается, должна быть в 100 раз интенсивнее, чем в традиционных ядерных реакторах. Тяжесть проблемы усугубляется тем, что сечение взаимодействия нейтронов с ядрами с ростом энергии перестаёт зависеть от числа протонов и нейтронов и стремится к сечению атомного ядра - и для нейтронов энергии 14 МэВ просто не существует изотопа с достаточно малым сечением взаимодействия. Это обусловливает необходимость очень частой замены конструкций D-T- и D-D-реактора и снижает его рентабельность настолько, что стоимость конструкций реакторов из современных материалов для этих двух типов оказывается больше стоимости произведённой на них энергии. Решения возможны трёх типов [ ] :
Побочные реакции D-D (3 %) при синтезе D-He осложняют изготовление рентабельных конструкций для реактора, хотя они возможны на современном технологическом уровне.
Следующим шагом в исследованиях должен стать (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). На этом реакторе планируется провести исследование поведения высокотемпературной плазмы (пылающая плазма с Q ~ 30) и конструктивных материалов для промышленного реактора.
Окончательной фазой исследований станет DEMO : прототип промышленного реактора , на котором будет достигнуто воспламенение, и продемонстрирована практическая пригодность новых материалов. Самые оптимистичные прогнозы завершения фазы DEMO: 30 лет. Вслед за DEMO может начаться проектирование и строительство коммерческих термоядерных реакторов (условно называются ТЯЭС - термоядерные электростанции). Строительство ТЯЭС может начаться не раньше 2045 года.
Всего в мире было построено около 300 токамаков . Ниже перечислены наиболее крупные из них.
Осенью 1981 года крупнейшие учёные из 27 стран мира приехали в Москву на Европейскую конференцию по управляемому термоядерному синтезу и физике плазмы. Главный итог работы конференции - единодушный вывод о том, что наука сегодня близка к окончательному решению "проблемы века" - управляемого термоядерного синтеза (УТС). На основе бесед с ведущими учёными подготовлен этот рассказ.
Многие специалисты и сегодня задаются вопросом могла бы уже работать термоядерная электростанция, если бы долгое время исследования по термояду не держались в секрете? Если бы у ученых и инженеров разных стран с самого начала была возможность объединить свои усилия? И хотя никто не может с полной уверенностью утвердительно ответить на этот вопрос, всем ясно, что путь к "энергетическому Эльдорадо" оказался бы намного короче.
Почему же всё сложилось не так, как того требовали нужды людей? Этот вопрос прямо не обсуждался на последней научной конференции по термояду. Однако подспудно он владел многими. Потому что честный ответ на него может помочь избежать многих ошибок в будущем.
Обратимся ненадолго к истории - всего к нескольким датам и фактам. В конце 30-х годов была открыта цепная реакция деления ядер, при которой выделяется огромное количество энергии. Увы, воспользовались ею в первую очередь вовсе не для нужд энергетики. В августе 1945 года США сбросили атомные бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки. Советский Союз был вынужден создать своё атомное оружие. Его испытали в 1949 году. Но уже в 1954 году в нашей стране вступила в строй первая в мире атомная электростанция, открывшая эру мирного использования ядерной энергии... Похожая история и с термоядом. Возможность получения энергии при слиянии ядер теоретически была доказана в конце 30-х годов (кстати, при синтезе выделяется энергии примерно в сотни раз больше, чем при делении!). И опять-таки вначале было создано термоядерное оружие. Работа над термоядерным оружием не только отвлекала от мирных исследований термояда, она словно глухой стеной разъединила учёных разных стран: никакого обмена информацией, результатами исследований, идеями. Кто-то должен был сделать первым шаг навстречу. И в 1956 году по инициативе Советского правительства докладом академика И. В. Курчатова, который он прочитал в английском городе Харуэлле, было положено начало регулярному обмену научной информацией, чтобы совместными усилиями ученых разных стран прокладывать пути к мирному использованию термоядерной энергии. Ещё через год советские учёные поделились с зарубежными коллегами идеей, которая определила генеральное направление штурма УТС. Название установок, в основу которых положена эта идея, "Токамак" ныне вошло во все научные словари мира так же, как, скажем, слово "спутник".
Главным образом об этих установках - сегодняшних лидерах в решении проблемы УТС, о проектах новых "Токамаков" шла речь и на последнем, московском, форуме учёных разных стран.
Сама по себе идея термоядерного синтеза кажется простой. Нужно заставить ядра сойтись на расстояние примерно в 10 миллиардных миллиметра и слиться, синтезироваться в одно ядро. В процессе слияния выделяется избыток энергии. В принципе, синтезироваться способны все элементы начала таблицы Менделеева. Однако легче всего (точнее, относительно легко) реакции синтеза могут идти между ядрами изотопов водорода - дейтерия и трития. Но для этого нужно ни много ни мало нагреть смесь этих ядер до 100 млн. градусов Цельсия. А для реакции синтеза на чистом дейтерии и того больше - до миллиарда!
В этом-то и состоит главная трудность. Нагреть вещество до таких температур - задача сама по себе фантастическая! Даже в недрах солнца "прохладней" - не более 20 млн. градусов. Уже при нескольких тысячах градусов вещество становится плазмой - хаосом из электронов и ядер, которые с огромными скоростями мечутся и сталкиваются внутри камеры. И хаос этот становится активнее с ростом температуры. Какой уздой можно удержать его при десятках миллионов градусов? На Солнце это гигантская сила гравитации. А на Земле, в искусственной установке?.. Коварство плазмы ещё и в том, что благодаря высокой теплопроводности она мгновенно отдает свою энергию стенкам камеры и остывает. Как метко заметил известный советский физик профессор Д. Франк-Каменский, нагреть в замкнутом сосуде плазму до миллионов градусов - это тоже самое, что вскипятить воду в стакане... изо льда!
Итак, главная задача - нагреть плазму до нужной температуры и не давать ей коснуться стенок столько времени, сколько нужно для того, чтобы успело прореагировать достаточное количество ядер дейтерия и трития и произошла реакция с выделением огромной энергии.
Решению этой задачи и служит идея, которая наилучшим образом работает в установках "Токамак". (Это слово образовано из первых слогов названия установки "ТОроидальная КАмера с МАгнитным полем") Из школьной физики известно, что заряженная частица не может двигаться поперёк магнитной силовой линии. В однородном магнитном поле частицы движутся вдоль силовых линий, закручиваясь вокруг них. Поэтому, если создать систему замкнутых магнитных силовых линий, то в принципе сих помощью можно удерживать плазму в некотором ограниченном объёме. Образно говоря, незримы "ладони" магнитных полей способны удержать сверхсолнечный жар! "Токамак" и должен был стать надежной уздой для частиц, "взбесившихся" от невероятного, фантастического жара.
Что же представляет собой "Токамак" конструктивно? Внешне он похож на большой трансформатор с железным замкнутым сердечником и обмоткой, по которой пропускают очень сильный ток. Вместо вторичной обмотки трансформатора пустотелая тороидальная камера, напоминающая большой бублик. Внутри этой камеры добиваются перехода вещества в плазменное состояние. До необходимой температуры плазму разогревают сильным электрическим разрядом, мощными токами сверхвысокой частоты и другими способами. А сильное магнитное поле сжимает плазму в плотный кольцевой шнур.
Когда знакомишься с принципиальной схемой "Токамака", поражаешься её простоте - кажется, даже в школьном учебнике приводят схемы посложнее. Грубо говоря, так оно и есть, если забыть на время о реальном устройстве, о конструкции, требующей уникальных материалов; забыть о том невообразимо горячем веществе, что укрощается в "бублике". Так уже в самых первых экспериментах выяснилось, что плазма никак не желает признавать магнитных стенок. Непонятным образом она успевает просачиваться раньше, чем её удается нагреть до нужно температуры. Физики искали средство подавления неустойчивости плазмы, переделывали установку, повышали температуру, и... снова плазма находила новый способ вырваться из магнитного плена! Это подобно путешествию в горах: взята очередная трудная вершина, но с её высоты взору открываются новые перевалы, ущелья, пропасти, которые надо преодолеть на пути к цели...
За три десятилетия пройдена большая часть трудного пути. Каждый его этап - это не дни или месяцы, а годы упорных, сложнейших экспериментов, расчётов, это десятки разочаровывающих неудач и блестящих успехов. И к каждой задаче, которую надо было решать, можно было применить слово "впервые".
Например, впервые предстояло научиться создавать сверхсильное магнитное поле в довольно больших камерах. Причём поле в высшей степени симметричное. При отклонении симметрии уже в доли миллиметра плазма норовила прорваться к стенкам камеры и охладиться.
Был и такой период, когда плазма, надёжно удерживаемая магнитным полем, никак не хотела нагреваться выше всего лишь нескольких миллионов градусов. В конце концов выяснилось: виноваты во всём ничтожно малые примеси тяжёлых элементов в плазме. Но как же они попадали в камеру? Возникло предположение - они испаряются с поверхности металла. из которого сделаны стенки камеры. В итоге электроны плазмы тормозятся в электрическом поле этих элементов, теряют свою энергию, что и приводит к понижению температуры... Понадобились многие годы, чтобы понять и, главное, устранить эту причину.
А проблема так называемой первой стенки реактора? Представьте, в камере за этой стенкой миллионы градусов! Она не испаряется мгновенно потому, что, как мы знаем, плазма "обернута" невидимым магнитным полем. Но изнутри на стенку обрушиваются мощные потоки нейтронов! Материал стенки должен быть предельно стойким, чтобы не разрушаться под действием высоких температур и нейтронов, в тоже время быть максимально "прозрачным" по отношению к тем же самым нейтронам! Ведь именно они выносят из камеры ту самую энергию термоядерного синтеза, которую мы намереваемся дальше превращать в тепло и электричество. не будет стенка "прозрачной", желанная энергия так и останется внутри "бублика". Вот каким парадоксальным требованиям должен отвечать материал первой стенки реактора. Это всё равно как если бы сделать кирпичную стенку, прозрачную для артиллерийских снарядов. Мы метко расстреляли её миллионом снарядов, а она целёхонька - ни единой пробоины.
На создание мощных магнитных полей уходит львиная доля энергии, потребляемой "Токамаком", и пока он больше берёт, чем отдает. Как уменьшить энергетические аппетиты?
Одно из решений проблемы - сверхпроводимость. Известно, что при температурах, близких к абсолютному нулю, электрическое сопротивление некоторых проводников становится бесконечно малым. Ток, однажды запущенный в кольцо такого проводника, может циркулировать в нём как угодно долго почти без потерь. Чтобы практически изучить возможность использования сверхпроводимости в "Токамаках", ученые из института атомной энергии имени И. В. Курчатова построили установку "Токамак-7", магнитные катушки которой выполнены из сверхпроводящих материалов. Это был уникальный опыт в первую очередь для инженеров, материаловедов. Дело в том, что сильнейшие магнитные поля в "Токамаке" становятся врагами сверхпроводимости, уничтожают её. Здесь понадобилось создать и испытать совершенно особые магнитостойкие сверхпроводящие сплавы. По сравнению с обычной магнитной системой сверхпроводящие обмотки Т-7 позволили уменьшить потребляемую из сети мощность примерно в 100 раз!
В 1975 году в Институте атомной энергии была пущена установка "Токамак-10". На этой установке удалось получить плазму с рекордной для того времени температурой - 15 миллионов градусов Цельсия! Здесь впервые появились надёжные признаки того, что в камере "зажигается", пусть ещё первыми искорками, термоядерная реакция. Да, искра может зажечь костёр. Однако и сотня отдельных искр это ещё не костёр. Термоядерные искры гасли. Но уже своим появлением они убедили физиков всего мира в правильности выбранного пути.
Сейчас новая установка - "Токамак-15" - строится в Институте атомной энергии. Объём плазменного "бублика" в нём будет примерно в пять раз больше, чем в Т-10. Зачем это нужно? Дело в том, что при увеличении объема камеры возрастает и число частиц, а следовательно, вероятность их столкновений, которые вызывают реакцию. Плазма в Т-15 будет нагреваться до 70-80 млн. градусов - это уже очень близко к тому, что требуется. Обмотки магнитных катушек у Т-15 будут сверхпроводящими. Это позволит значительно снизить потребление энергии.
Эксперименты на Т-15 и других "Токамаках", как надеются учёные, должны окончательно подтвердить осуществимость самоподдерживающейся реакции синтеза. Если всё пройдет удачно, то останется сделать последний шаг на пути к термоядерным электростанциям. На этом последнем этапе должен быть получен ответ на вопрос: что и как нужно сделать, чтобы собрать тепловую энергию нейтронов и, преобразовав её в электричество, направить на заводы.ю в города, сёла.
Освоить энергию ядерного синтеза, овладеть поистине неисчерпаемым источником энергии - это грандиозная задача. От успеха её решения зависит прогресс всего человечества. Стало быть, и решать эту задачу лучше сообща, силами всех стран, которые располагают необходимыми для этого научными и техническими возможностями. Особенно важно объединить усилия становится на нынешнем этапе исследований - этапе самом ответственном и, пожалуй, самом сложном, требующем огромных материальных затрат.
В 1978 году в Вене на заседании Международного агентства по атомной энергии выступил руководитель советской термоядерной программы академик Е. П. Велихов и от имени Советского правительства предложил специалистам ведущих стран вместе спроектировать и построить большой демонстрационный реактор-токамак. Значение этого выступления, как и выступления И. В. курчатова в 1956 году, трудно переоценить. Это шаг к новому этапу мирного сотрудничества в области термояда. Предложение было принято, и в состав участников строительства первого в истории международного термоядерного реактора вошли СССР, США, Япония и десять наиболее развитых стран западной европы. ИНТОР - такое название получил будущий реактор по первым буквам английского названия - International Tokamak Reactor.
Как же будет выглядеть ИНТОР?
Внешне он будет походить на своих предшественников из семейства "Токамаков" - Т-10, Т-15 и их зарубежных собратьев, отличаясь от них большими размерами. Объём плазмы в ИНТОРе будет примерно в 5 раз больше, чем в "Токамаках" нынешнего поколения, а, как мы уже знаем, это увеличивает вероятность зажигания термоядерной реакции. За 5-6 секунд плазму нагреют до температуры выше 100 млн. градусов. В течение 100 секунд в камере будет идти термоядерная реакция, выделяя энергию, равную той, что дают сегодня атомные реакторы средней мощности, - около 600 МВт. (Для сравнения напомню, что мощность первой АЭС составляла 5 МВт.) затем реакцию прервут, чтобы удалить из камеры продукты сгорания (в основном ядра гелия), которые загрязняют камеру. Потом снова впрыснут порцию термоядерного горючего, и цикл повторится.
Главная, пожалуй, особенность ИНТОРа состоит в том. что здесь впервые пройдут серьёзные испытания и элементы систем, позволяющих практически использовать энергию термоядерного синтеза. Такого рода системы называют "бланкетами" (от английского слова blanket - одеяло.) В простейшем случае бланкет представляет собой пустотелую оболочку, окружающую реактор, внутри которой циркулирует жидкость - скажем, та же вода. Нейтроны, рождающиеся в ходе реакции и несущие энергию термоядерного синтеза, будут поглощаться жидкостью и отдавать ей свою энергию, нагревая её. А дальше по привычной схеме, как в тепловых или атомных электростанциях: вода, нагреваясь превращается в пар, который приводи в движение турбину с электрогенератором.
Бланкет ИНТОРа должен помочь решить ещё одну важную задачу.
Мы уже говорили о том, что поначалу термоядерные реакторы будут работать на смеси дейтерия с тритием - для такой смеси температура зажигания требуется меньшая, чем для чистого дейтерия. Возникает вопрос: как же обстоит дело с ресурсами этого топлива? Что касается дейтерия. то он в изобилии имеется в морской воде, целый океан, не на один век хватит. А где взять тритий? В природе. как известно, его крайне мало.
Ядерная физика и здесь подсказала выход. Можно получить тритий искусственно от другого химического элемента, которого на земле вполне достаточно, - лития, облучая его нейтронами. И это очень важно, делать это можно в том же термоядерном реакторе. В этом-то и состоит вторая важная функция бланкета: помещённый в него литий будет перерабатываться в тритий.
Так что, по идее, реактор должен не только вырабатывать энергию, но и сам себя обеспечивать топливом, как это сейчас и происходит, кстати, в атомных электростанциях на быстрых нейтронах.
Штурм проблемы управляемого ядерного синтеза идёт сегодня широким фронтом. В последние годы получены обнадёживающие результаты и на других направлениях исследований. Можно назвать, в частности, такие варианты, как "лазерный термояд", когда термоядерное горючее нагревается со всех сторон мощными лазерными лучами. Или "электронный термояд". где вместо лучей лазера работают мощные пучки электронов.
Сейчас ещё рано говорить о том, как практически будут воплощены в жизнь эти идеи. "Токамаки" ближе всех подвели учёных к решению проблемы УТС. И именно на этом направлении концентрируются сегодня основные усилия и средства, которые приближают к овладению практически неисчерпаемым источником энергии.
