Термоядерная энергетика

После того как во время правительственного визита Хрущева в Англию в 1956 г. Игорь Курчатов объявил, что в нашей стране начались работы по управляемой термоядерной реакции, в эту область ринулись многие молодые таланты.

Тогда казалось, что проблема будет решена через 20 лет. Сегодня, как сказал академик Евгений Велихов, ответ тот же: проблему будет решена через 20 лет. И кажется, что этот срок — единственная константа, когда речь заходит о желанном и неуловимом термояде.
Термоядерная реакция — это тот механизм, благодаря которому наше Солнце обогревает всю Солнечную систему, а также горят все звезды во Вселенной. Температура в глубине Солнца достигает сотен миллионов градусов, хотя в ответе за происходящие реакции так называемые слабые ядерные силы. Человек научился воссоздавать термоядерную реакцию — в водородной бомбе, которая гораздо мощнее атомной. И уже есть атомные электростанции. Нельзя ли и термоядерную реакцию приспособить для мирных целей?
Исходный материал на Земле никогда не кончится. Это дейтерий, извлекаемый из обычной воды. Решение проблемы управляемого термояда — это решение энергетической проблемы человечества, важнейшей из всех наших забот. Но ни один материал не способен выдержать столь чудовищных температур. Выход в том, чтобы удержать плазму.
Плазма — это частично или полностью ионизованный газ. Заряженные частицы плазмы (особенно электроны) легко группируются при случайных колебаниях электрического поля, усиливают его. Такого рода коллективное взаимодействие, характерное для плазмы, может приводить как к нежелательным, так и к полезным эффектам. Это относится к высокотемпературной водородной плазме, источнику энергии будущего магнитного термоядерного реактора. Благодаря магнитной термоизоляции плазмы, а эту идею предложил академик Андрей Сахаров, при ее нагреве создается перепад температуры от звездной в сердцевине плазмы до такой, которую способны выдержать конструкционные элементы реактора.
Токамак (от тороидальная камера с магнитными катушками) — развитие идеи Сахарова. В конце 60-х годов в Курчатовском институте на токамаке удалось добиться прорыва к высокой температуре в 10 млн градусов, что лишь в десять раз меньше, чем требуется для реактора. Теперь эта система стала главной для изучения высокотемпературной плазмы во всем мире. На самых крупных токама- ках JET (общеевропейский тор) в Великобритании и JT — 60U в Японии (оба с 3-метровым радиусом круговой оси тороидальной камеры; D-образное сечение плазмы в установке JET имеет размеры примерно 2, 3, 5 м) получают плазму с параметрами, близкими к необходимым для реактора, т. е. с температурой около 100 млн градусов. Сегодня нет никаких сомнений в осуществимости управляемой термоядерной реакции в плазме токамака, а также и в более сложных, винтовых системах (стеллараторах), не требующих возбуждения в плазме электрического тока мегаамперных масштабов. Токамак положен в основу проекта международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. Он в два раза превосходит JET по габаритам.
Масштабные исследования по управляемому синтезу во многом способствовали возникновению идей технических и технологических применений низкотемпературной плазмы газовых разрядов. Плазменные магнитогидродинамические генераторы электрического тока, импульсные и стационарные плазменные двигатели для космических аппаратов, газовые лазеры, генераторы СВЧ-из- лучения — вот далеко не полный перечень областей, где используется плазма и исследуется физика процессов в плазме.
Присутствие примесей в плазме токамака — вот одна из причин, почему до сих пор не удалось осуществить управляемый термоядерный синтез. Уравнения движения ионов примеси настолько сложны, что до сих пор не удавалось их решить. И только недавно петербургские ученые вычислили, как будут двигаться эти ионы,
В Санкт-Петербурге в Физико-техническом институте им. А Ф. Иоффе РАН осуществлен пуск сферического токамака «Глобус-М». Это современный исследовательский комплекс, предназначенный для изучения поведения плазмы не в реакторном режиме, а в лабораторных условиях. При его проектировании и создании были использованы новейшие отечественные и зарубежные достижения науки. Программой предусмотрено проведение исследований водородной плазмы при нагреве ее примерно до 10 млн градусов с помощью тока, протекающего по шнуру, и методами радиочастотного нагрева. Ученые считают, что полученные данные позволят не только существенно улучшить понимание фундаментальных процессов в плазме томака, но и в целом оценить перспективность применения сферических токамаков. Эксперименты на томаке «Глобус-М» прояснят многие вопросы, связанные с физикой нагрева, удержания и устойчивости плазмы.
В физико-энергетическом институте (Обнинск) создана мощнейшая лазерная установка с ядерной накачкой энергии — ОКУЯН (оптический квантовый усилитель с ядерной начинкой). В импульсе за 40—100 млн долей секунды на этой установке рождается энергия, сравнимая с той, что может за это короткое время дать вся мировая ядерная энергетика. В установке ОКУЯН энергия ядерного распада сразу превращается в свет, и благодаря этому можно создать мощный лазерный луч в компактной установке.
Самая мощная лазерная установка в мире действует в Ливерморской лаборатории США, где в одной точке фокусируются 12 лазерных лучей, чтобы таким образом создать мощный энергетический сгусток. «Стреляет» эта установка всего один раз в месяц, так как выключается свет по всей Калифорнии — такая огромная нагрузка развивается для всей энергосистемы.
Российский ОКУЯН способен создавать в импульсе аналогичную энергию в одном лазерном луче. Занимает он небольшой зал лабораторного корпуса. А главное — это установка с коэффициентом полезного действия в несколько раз выше, чем у Ливерморской.

Японские ученые проводят исследования по созданию минитермоядерного реактора. Основным материалом в их экспериментах служит водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной. Они довели скорость слияния атомов водорода до 500 тыс. единиц в секунду при температуре, близкой к абсолютному нулю (—273°). В отличие от прежних разработок, основанных на химической природе этой реакции, японские ученые используют новейшие достижения атомной физики. В процессе реакции им удалось создать элементарную частицу — муон, которая при низкой температуре может сжижать атомы водорода до такой степени, что их ядра начинают сливаться. В случае успеха этих работ человечество получит в свое распоряжение практически неисчерпаемый источник дешевой и безопасной энергии. По мнению японских ученых, решение энергетической проблемы уже близко, а завершение основного этапа разработок можно ожидать в ближайшие 4—5 лет.
Коренным переломом в исследованиях должен стать момент, когда «холодный» синтез атомов водорода удастся превратить в постоянный процесс, дающий больше энергии, чем затрачивается на него. Теоретически 10 г дейтерия (тяжелого водорода) и 15 г трития могут дать достаточно энергии, чтобы удовлетворить нужды населения планеты в электричестве примерно на столетие.
В международном проекте ИТЭР участвуют Европейский союз, Япония, Канада, Южная Корея, Китай, а также США и Россия. Планируется создать экспериментальный (иногда говорят—демонстрационный) термоядерный реактор, который призван открыть дорогу принципиально новой энергетике с неисчерпаемыми ресурсами.
В 2004 г. возникли трудности с определением места строительства: в Рокасе, в префектуре Аомори в Японии или в Кадараше — примерно в 200 км от Марселя во Франции. Кадараш — это сформировавшийся ядерный центр с высококвалифицированным персоналом и уникальной инфраструктурой. На этой площадке в свое время был создан и функционирует токамак со сверхпроводящими обмотками, по сути, прообраз той установки, которую предполагается создать. Таким образом, существует почти все, для того чтобы развернуть столь масштабный проект, каким является ИТЭР.
Тема еще не закрыта, но прогресса на переговорах действительно нет. Возникла ситуация, которую пока не удается разрешить ИТЭР, — это не просто дорогостоящее детище, в нем заключена большая символика. Он покажет, способны ли договориться о совместной работе над решением энергетических проблем человечества те государства, что считают себя лидерами в освоении атомной энергии. Это проба на возможность достижения согласия в мировом масштабе. Позиция России остается неизменной: проект не .должен распадаться, все страны должны согласиться. .Надо сберечь и дух проекта, и его международный статус, и сохранить ядро исполнителей.
Есть федеральная целевая программа сооружения ИТЭР, в ней детально расписано, кто за что отвечает. Сюда вовлечены Курчатовский научный центр, НИИЭФА (Санкт-Петербург), НИКИЭТ, ВНИИ неорганических материалов. Словом, конгломерат институтов. Это корпорация «ТВЭЛ» и, в частности, Чепецкий механический завод, где должны изготовляться сверхпроводники для этого проекта.
В НИИЭФА изготавливались отдельные элементы оборудования будущей установки — того, что требовало проверки на стадии проектирования с точки зрения успешной реализации. Причем эти элементы прошли международные испытания. Совместно с японскими коллегами были выполнены и испытаны элементы сверхпроводящей системы. Таким образом, ИТЭР сегодня — это не только дизайн-проект на бумаге, не только рабочие чертежи, но и отдельные элементы установки, изготовленные в реальном масштабе. Участники проекта не перестают надеяться, что приемлемый вариант будет найден и в ближайшее время начнутся работы по сооружению экспериментальной установки.
Какие выгоды сулит человечеству термоядерный реактор? Термоядерные электростанции будут значительнее, чем атомные. Наряду с громадными ресурсами (все энергетические потребности мира могут быть удовлетворены 135 т дейтерия в год, а земного запаса термоядерного топлива хватит на 10 млн лет) термоядерная энергетика привлекательна и с экологической точки зрения. Прежде всего, термоядерный реактор не выделяет в атмосферу продуктов, типичных для электростанций, работающих на органическом топливе, и приводящих, в частности, к парниковому эффекту. Тепловые воздействия на окружающую среду не выше, чем от современных станций на ископаемом топливе и АЭС. А выбросы радиоактивного элемента топлива — трития — могут быть сведены к минимуму за счет соответствующего выбора материалов и конструкций. Если сравнить термоядерный реактор с реактором деления, то у него ряд преимуществ. Например, его радиоактивность на единицу тепловой мощности существенно ниже благодаря отсутствию делящихся материалов. Поданным Международного института прикладного системного анализа, при использовании одинаковых конструктивных материалов разница доходит до 5 раз, причем радиоактивность термояда после остановки реактора уменьшается быстрее.
Термоядерный реактор дает неисчерпаемые возможности в кардинальном решении экологических проблем. Биологическую опасность реактора можно свести практически к нулю, если использовать в качестве топлива смесь дейтерий — гелий-3. Кроме того, современные материалы в таком реакторе имели бы срок службы 100 лет и более, а КПД можно повысить до 80—90%. В этом случае не возникает также проблема захоронения радиоактивных отходов.
Вариант с развитием атомной энергетики перспективен, но это временная мера. И в США, и в России приняты государственные программы по ускоренному развитию этой отрасли. Но атомная энергетика также зависит от ограниченных запасов урана и, кроме того, наносит своими радиоактивными отходами экологический удар по окружающей среде.

<< | >>

↑

Источник: Новиков Ю. В.. Экология, окружающая среда и человек: Учеб, пособие для вузов, средних школ и колледжей. 2005

Еще по теме Термоядерная энергетика:

- Детская психология - Общая экология - Природопользование - Социальная экология - Экологический мониторинг - Экология города и региона - Экология человека -