Первичные источники питания и термоядерная энергия
Мы привычно говорим о термоядерном синтезе, как о перспективном источнике энергии. Но вот вопрос: не слишком ли долго он останется всего лишь “перспективным”? Ведь сложилась парадоксальная ситуация: на энергии деления ядер урана уже давно работают атомные электростанции, тогда как управляемый синтез лёгких ядер не даёт положительного баланса энергии. Между тем последний процесс открыли на четыре года раньше, чем первый: в 1934 году в лаборатории Э. Резерфорда был проведён синтез ядер дейтерия с получением трития. А уже через несколько лет теоретики нашли подходящие ядерные процессы, объясняющие механизм “горения” звёзд, который так долго был неразрешимой загадкой. Значит, роль термоядерной реакции, как возможного источника огромных количеств энергии, была осознана давно. Какие же трудности стояли и стоят на пути к овладению этим источником?
Появление новой энергии.
Главная причина устойчивости звёздных термоядерных реакций — громадные размеры реакторов, да и времена циклов реакций исчисляются миллионами лет. Как же в наших ограниченных масштабах сотворить подобное?
В 1945 году на далёком Сахалине у учащегося вечерней средней школы Олега Лаврентьева блеснула дерзновенная идея, которая сулила создание искусственного земного солнца. Как писал сам Олег Александрович, он “сформулировал принцип тепловой изоляции электрическим полем полностью ионизированного газа с целью промышленной утилизации термоядерных реакций” и не долго думая направил предложение прямо в адрес И.В.Сталина. Письмо осталось без ответа, но повторное предложение в ЦК ВКП(б) сработало мгновенно. В 1954 году эта идея, оказавшаяся весьма плодотворной, была воплощена в Институте атомной энергии (ИЭА). Появилась первая исследовательская термоядерная установка токомак. Впоследствии А.Д.Сахаров, уже академик, засвидетельствовал: “Подтверждаю, что в июне или июле 1950 г. я рецензировал работу О.А.Лаврентьева... Ознакомление с работой Лаврентьева послужило толчком, способствующим ускорению моей совместной с И.Е.Таммом работы по магнитной термоизоляции высокотемпературной плазмы”.
Но действительность оказалась сложнее. Выяснилось, что в тороидальном поле частицы за каждый оборот будут смещаться из области более сильной напряжённости (внутренний периметр тороида) в область слабой напряжённости (внешний периметр) и вся плазма “вывалится” на внешнюю стенку, не успев разогреться до термоядерных температур.
Правда, выход быстро нашли: для удержания плазмы в равновесии силовые линии её магнитного поля надо завить по спирали. Двадцать лет спустя эта работа сыграла историческую роль и стала оной из основ теории токамаков.
В 1969 году на международной конференции в Дубне было объявлено, что в плазме токамака Т-3 достигнута фантастическая для того времени температура- 7-10 млн. градусов. Началось всемирное “обращение в токамаки”.
Сейчас на токамаках, кроме России, работают в США, Великобритании, Франции, ФРГ, Италии, Японии, Китае, Австралии, Ливии, Венгрии и других странах.
Оказалось, что в замкнутых магнитных системах положения классической теории парных столкновений частиц плазмы, на которую тогда опирались учёные, не выполняются. А в 1965 году известные советские физики Р.З.Садеев, А.А.Галеев и Л.М.Коврижных создали новую теорию, за что впоследствии были удостоены Ленинской премии.
Условия управляемого ядерного синтеза.
В энергетически выгодных термоядерных реакциях участвуют прежде всего изотопы водорода-дейтерий (Д) и тритий (Т). При этом из двух реакций Д+Д и Д+Т последняя в сто раз эффективнее, и во всех современных установках пытаются осуществить именно её. При слиянии ядер дейтерия и трития образуется нестабильное ядро, которое быстро распадается на альфа-частицу (ядро гелия-4) с энергией 3,5 МэВ и нейрон с энергией 14,1 МэВ (то есть 20( и 80( общей энергии соответственно):
Д+Т? 4Не++ (3,5 МэВ)+n(14,1 МэВ).
Дело осложняется тем, что “готового” трития в природе почти нет. Но выход найден: этот изотоп производится в самом реакторе из лития.
Таким образом, в термоядерных реакциях, в том числе в токамаках, будет, по существу, “сжигаться” литий, один грамм которого в этом случае соответствует тонне условного топлива. А доступные запасы лития на Земле на три порядка превосходят запасы органического топлива, причём добывать литий сравнительно несложно.
Для получения полезной энергии в реакциях ядерного синтеза надо последовательно достичь двух пороговых условий: “зажигания” реакции, то есть положительного энергобаланса, и самостоятельного, самоподдерживающегося синтеза, уже не требующего внешнего “подогрева”. Кроме того, необходима определённая плотность и время существования плазмы при данной температуре. В 1957 году английский физик Дж.Лоусон вывел соответствующий критерий: произведение плотности плазмы n (число частиц в кубическом метре её объёма) на время существования ? (измеряемое в секундах) при температуре Т=108 К должно быть не менее 2*1020 с/м3. В этих условиях энергобаланс термоядерной реакции будет положительным, то есть общий выход энергии превысит энергозатраты на нагрев.
Но достижение первого порогового условия -зажигания- ещё не обеспечивает второго, то есть самоподдержания реакции. Вся надежда лишь на заряженные ядра гелия. Чтобы они удержались в зоне реакции, а их энергии хватило на её самоподдержание, магнитное поле должно иметь определённую напряженность В, а плазма- определённый объём V. Произведение этих двух величин BV называется фактором удержания, который и характеризует степень самообеспеченности реакции.
Токамаки: что достигнуто?
В таблице даны основные параметры токомаков: R и r - большой и малые радиусы плазмы, V - её объём, B - напряжённость магнитного поля, BV - фактор удержания плазмы и W - общая мощность дополнительных источников её нагрева (который можно производить тремя способами: адиабатическим сжатием плазмы, инжекцией быстрых (“горячих”) нейтральных атомов и высокочастотными волнами).
НАЗВАНИЕ R, М r, М V, М3 B, Тл VB,М3Тл W, МВТ
Т - 3 Россия 1 0,15 0,5 3,5 1,8 нет
Т - 4 Россия 0,9 0,17 0,5 4,5 2,3 нет
Т - 7 Россия 1,2 0,35 3 2,5 7,5 1
Т - 10 Россия 1,5 0,37 4 4,5 19 4
Т - 15 Россия 2,4 0,7 24 3,5 85 14
ТСП Россия 1,06 0,29 1,8 2 3,6 2
PLT США 1,3 0,4 4 4,5 19 4
Doublett США 2,75 0,9 44 2,6 120 8
JT - 60 Япония 3 0,95 54 4,5 240 40
TFTR США 2,65 1,1 64 5,2 330 30
JET ЕВРАТОМ 2,95 1,7 170 3,4 580 52
Т - 4 — по сути, увеличенная модель Т-3.
Т - 7 — уникальная установка, в которой впервые в мире реализована относительно крупная магнитная система со сверхпроводящим соленоидом на базе ниобата олова, охлаждаемого жидким гелием. Главная задача Т - 7 была выполнена: подготовлена перспектива для следующего поколения сверхпроводящих соленоидов термоядерной энергетики. Чтобы подчеркнуть всю сложность этой задачи, отметим, что попытка наших коллег из ФРГ соорудить плазменную установку W - 7 со сверхпроводящей системой не удалась.
Т - 10 и PLT— следующий шаг в мировых термоядерных исследованиях, они почти одинакового размера, равной мощности, с одинаковым фактором удержания. И полученные результаты идентичны: на обоих реакторах достигнута заветная температура термоядерного синтеза, а отставание по критерию Лоусона — всего в двести раз. Не надо удивляться этому как будто легкомысленному “всего”: на самом деле в те годы и такой результат был успехом.
JET (Joint Europeus Tor) — самый крупный в мире токомак, созданный организацией Евратом в Великобритании. В нём использован комбинированный нагрев: 20 МВт — нейтральная инжекция, 32 МВт — ионно-циклотронный резонанс. В итоге критерий Лоусона лишь в 4-5 раз ниже уровня зажигания.
Т - 15 — реактор сегодняшнего дня со сверхпроводящим соленоидом, дающим поле напряжённостью 3,5 Тл. К сожалению, столь важный для развития наших работ по термояду реактор является самым “младшим” в своём поколении, явно отставая от последних зарубежных. Такое отставание — расплата за негибкость нашей промышленности и проектных организаций, отчего каждая новая установка становиться “долгостроем”.
TFTR (Test Fusion Tokamak Reactor) — крупнейший токамак США (в Принстонском университете) с дополнительным нагревом быстрыми нейтральными частицами. Достигнут высокий результат: критерий Лоусона при истинно термоядерной температуре всего в 5,5 раза ниже порога зажигания.
Как видно из краткого обзора, нет сомнений, что в ближайшее время можно ожидать “зажигания” термоядерной реакции в земных условиях на смеси газов дейтерия и трития.
Ядерный синтез завтра.
“На завтра” планируется прежде всего создание следующего поколения токамаков, в которых можно достичь самоподдерживающегося синтеза. С этой целью в ИАЭ имени И.В.Курчатова и НИИ электрофизической аппаратуры имени Д.В.Ефремова разрабатывается Опытный термоядерный реактор (ОТР).
В ОТР ставится целью самоподдержание реакции на таком уровне, чтобы отношение полезного выхода энергии к затраченной (обозначается Q ) было больше или по крайней мере равно единице: Q=1. Это условие — серьёзный этап отработки всех элементов системы на пути создания коммерческого реактора с Q=5. По имеющимся оценкам, лишь при этом значении Q достигается самоокупаемость термоядерного энергоисточника, когда окупаются затраты на все обслуживающие процессы, включая и социально-бытовые затраты. А пока что на американском TFTR достигнуто значение Q=0,2-0,4.
Существуют также и другие проблемы. Например, первая стенка — то есть оболочка тороидальной вакуумной камеры — самая напряжённая, буквально многострадальная часть всей конструкции. В ОТР её объём примерно 300 м3, а площадь поверхности около 400 м2. Стенка должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять атмосферному давлению и механическим силам, возникающим от магнитного поля, и достаточно тонкой, чтобы без померного перепада температур отводить тепловые потоки от плазмы к воде, циркулирующей на внешней стороне тороида. Её оптимальная толщина 2 мм. В качестве материалов выбраны аустенитные стали либо никелевые и титановые сплавы.
Планируется установка Евратомом NET (Next Europeus Tor), во многом схожим с ОТР, это следующее поколение токомаков после JET и Т-15.
NET предполагается соорудить в течении 1994-1999 годов. Первый этап исследований планируется провести за 3-4 года.
Говорят и о следующем поколении после NET — это уже “настоящий” термоядерный реактор, условно названный DEMO. Впрочем, не всё пока ясно даже и с NET, поскольку есть планы сооружения нескольких международных установок.
Мы проследили термояд “завтра” до конца XX и даже до начала XXI века. Здесь уже многое запланировано и предопределено. Такое предсказуемое “завтра”, видимо, кончится с пуском “настоящего” реактора. А что дальше — это уже во многом из области фантастики...
Вывод.
Жизнь идёт вперёд, открываются всё новые горизонты. Несомненно лишь одно: термоядерный синтез — реальность XXI века, но на его пути в большую энергетику ещё много перепутий.
2