Управляемый синтез. Управляемый термоядерный синтез

Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Лаврентьев О. А. . Кроме него важный вклад в решение проблемы внесли такие выдающиеся физики, как А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм , а также Л. А. Арцимович , возглавлявший советскую программу по управляемому термоядерному синтезу с 1951 года.

Исторически вопрос управляемого термоядерного синтеза на мировом уровне возник в середине XX века. Известно, что И. В. Курчатов в 1956 году высказал предложение о сотрудничестве учёных-атомщиков разных стран в решении этой научной проблемы. Это произошло во время посещения Британского ядерного центра «Харуэлл» (англ. ) .

Типы реакций

Реакция синтеза заключается в следующем: два или больше атомных ядра в результате применения некоторой силы сближаются настолько, чтобы силы, действующие на таких расстояниях , преобладали над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро . При создании нового ядра выделится большая энергия сильного взаимодействия . По известной формуле E=mc² , высвободив энергию, система нуклонов потеряет часть своей массы. Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, проще свести на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются одними из лучших видов топлива для реакции синтеза.

Установлено, что смесь двух изотопов , дейтерия и трития, требует менее всего 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 надежнее 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 остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом.

Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

Самая легко осуществимая реакция - дейтерий + тритий :

2 H + 3 H = 4 He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт).

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток - выход нежелательной нейтронной радиации .

Два ядра : дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона :

Токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками) - тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем . Особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания тороидального поля, необходимого для равновесия плазмы.

Реакция дейтерий + гелий-3

Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3

2 H + 3 He = 4 He + при энергетическом выходе 18,4 МэВ.

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.

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)

В дополнение к основной реакции в ДД-плазме также происходят:

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 .

Другие типы реакций

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.

«Безнейтронные» реакции

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.

Реакции на лёгком водороде

D + T → 4 He (3,5 МэВ) + n (14,1 МэВ).

Однако при этом бо́льшая часть (более 80 %) выделяемой кинетической энергии приходится именно на нейтрон. В результате столкновений осколков с другими атомами эта энергия преобразуется в тепловую . Помимо этого, быстрые нейтроны создают значительное количество радиоактивных отходов . В отличие от этого, синтез дейтерия и гелия-3 почти не производит радиоактивных продуктов:

D + 3 He → 4 He (3,7 МэВ) + p (14,7 МэВ), где p - протон .

Это позволяет использовать более простые и эффективные системы преобразования кинетической реакции синтеза, такие как магнитогидродинамический генератор .

Конструкции реакторов

Существуют две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза, разработки которых продолжаются в настоящее время (2012):

Первый вид термоядерных реакторов намного лучше разработан и изучен, чем второй.

Радиационная безопасность

Термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего, количество находящихся в нем 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 проектирования ITER большое внимание уделялось радиационной безопасности как при нормальной эксплуатации, так и во время возможных аварий.

Есть несколько источников возможного радиоактивного загрязнения:

радиоактивный изотоп водорода - тритий ;
наведённая радиоактивность в материалах установки в результате облучения нейтронами ;
радиоактивная пыль, образующаяся в результате воздействия плазмы на первую стенку;
радиоактивные продукты коррозии , которые могут образовываться в системе охлаждения.

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, ITER например, 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.

Оценки показывают, что даже в случае аварии радиоактивные выбросы не будут представлять опасности для населения и не вызовут необходимости эвакуации.

Цикл топлива

Реакторы первого поколения будут, вероятнее всего, работать на смеси дейтерия и трития. Нейтроны , которые появляются в процессе реакции, поглотятся защитой реактора, а выделяющееся тепло будет использоваться для нагревания теплоносителя в теплообменнике , и эта энергия, в свою очередь, будет использоваться для вращения генератора .

. .

Реакция синтеза в качестве промышленного источника электроэнергии

Энергия синтеза рассматривается многими исследователями (в частности, Кристофером Ллуэллин-Смитом) в качестве «естественного» источника энергии в долгосрочной перспективе. Сторонники коммерческого использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу:

Стоимость электроэнергии в сравнении с традиционными источниками

Критики указывают, что вопрос о рентабельности ядерного синтеза в производстве электроэнергии в общих целях остается 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 .

Отдельно стоит вопрос стоимости исследований. Страны Евросоюза тратят около 200 млн евро ежегодно на исследования, и прогнозируется, что нужно еще несколько десятилетий, пока промышленное использование ядерного синтеза станет возможным. Сторонники альтернативных неядерных источников электроэнергии считают, что было бы целесообразнее направить эти средства на внедрение возобновляемых источников электроэнергии.

Доступность коммерческой энергии ядерного синтеза

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 обуславливает 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:

Отказ от чистого ядерного синтеза и употребление его в качестве источника нейтронов для деления урана или тория.
Отказ от D-T и D-D синтеза в пользу других реакций синтеза (например D-He).
Резкое удешевление конструкционных материалов или разработка процессов их восстановления после облучения. Требуются также гигантские вложения в материаловедение, но перспективы неопределённые.

Побочные реакции D-D (3 %) при синтезе D-He осложняют изготовление рентабельных конструкций для реактора, но не невозможны на современном технологическом уровне.

Различают следующие фазы исследований:

1. Равновесие или режим «перевала» (Break-even): когда общая энергия, выделяемая в процессе синтеза, равна общей энергии, затраченной на запуск и поддержку реакции. Это соотношение помечают символом Q .

2. Пылающая плазма (Burning Plasma): промежуточный этап, на котором реакция будет поддерживаться главным образом альфа-частицами, которые продуцируются в процессе реакции, а не внешним подогревом. Q ≈ 5. До сих пор (2012) не достигнут.

3. Воспламенение (Ignition): стабильная самоподдерживающаяся реакция. Должна достигаться при больших значениях Q . До сих пор не достигнуто.

Следующим шагом в исследованиях должен стать Международный термоядерный экспериментальный реактор (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. Учитывая ориентировочное время на построение и введение в эксплуатацию промышленного реактора, нас отделяет ~40 лет от промышленного использования термоядерной энергии.

Существующие токамаки

Всего в мире было построено около 300 токамаков. Ниже перечислены наиболее крупные из них.

СССР и Россия
- Т-3 - первый функциональный аппарат.
- Т-4 - увеличенный вариант 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.
- 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.
- Т-15 - реактор сегодняшнего дня со сверхпроводящим соленоидом, дающим поле напряжённостью 3,6 Тл.

Ливия
- ТМ-4А

Ссылки

Е.П. Велихов; С.В. Мирнов Управляемый термоядерный синтез выходит на финишную прямую (PDF). Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований. Российский научный центр «Курчатовский институт». . ac.ru. - Популярное изложение проблемы.. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012. Проверено 8 августа 2007.
К. Ллуэллин-Смит. На пути к термоядерной энергетике. Материалы лекции, прочитанной 17 мая 2009 года в ФИАНе .
Грандиозный эксперимент по термоядерному синтезу проведут в США.

См. также

Примечания

Бондаренко Б. Д. «Роль О. А. Лаврентьева в постановке вопроса и инициировании исследований по управляемому термоядерному синтезу в СССР » // УФН 171 , 886 (2001).
Отзыв А. Д. Сахарова, опубликованный в разделе «Из Архива Президента Российской Федерации». УФН 171 , 902 (2001), стр. 908.
Научное сообщество физиков СССР. 1950-е-1960-е годы. Документы, воспоминания, исследования / Составители и редакторы П. В. Визгин и А. В. Кессених. - СПб. : РГХА, 2005. - Т. I. - С. 23. - 720 с. - 1000 экз.
В ранних термоядерных боеприпасах США использовался также и дейтерид природного лития, содержащего в основном изотоп лития с массовым числом 7. Он также служит источником трития, но для этого нейтроны, участвующие в реакции, должны иметь энергию 10 МэВ и выше.
Термоядерные электростанции безнейтронного цикла (например, D + 3 He → p + 4 He + 18,353 МэВ) c МГД-генератором на высокотемпературной плазме;
Е. П. Велихов , С. В. Путвинский Термоядерный реактор . Fornit (22 октября 1999 года). - Доклад от 22.10.1999, выполненный в рамках Energy Center of the World Federation of Scientists. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012. Проверено 16 января 2011.
(англ.) Postnote: Nuclear Fusion , 2003
EFDA | European Fusion Development Agreement
Tore Supra
Tokamak Fusion Test Reactor
Princeton Plasma Physics Laboratory Overview
MIT Plasma Science & Fusion Center: research>alcator>
Home - Fusion Website
Fusion Plasma Research
The Artificial Sun-中安在线-english
Термояд вышел из нуля - Газета. Ru
Информация о фильме «Человек-паук 2» («Spider-Man 2») - Кинотеатр «Космос»

Ядерные технологии
Инженерия
Материалы
Ядерная энергия
Ядерная медицина
Ядерное оружие

Энергетика
структура по продуктам и отраслям

Электроэнергетика :
электроэнергия

Традиционная

Тепловые электростанции	Конденсационная электростанция (КЭС) Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ)
Гидроэнергетика	Гидроэлектростанция (ГЭС) Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС)
Атомная	Атомная электростанция (АЭС) Плавучая атомная электростанция (ПАТЭС)

Альтернативная

Геотермальная	Геотермальные электростанции (ГеоТЭС)
Гидроэнергетика	Малые гидроэлектростанции (МГЭС) Приливные электростанции (ПЭС) Волновые электростанции Осмотические электростанции
Ветроэнергетика	Ветряные электростанции (ВЭС)
Солнечная	Солнечные электростанции (СЭС)
Водородная	Водородные электростанции Установки на топливных элементах
Биоэнергетика	Биоэлектростанции (БиоТЭС)
Малая	Дизельные электростанции Газопоршневые электростанции Газотурбинные установки малой мощности Бензиновые электростанции

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 .

Также возможны реакции между ядрами дейтерия , они идут немного труднее реакции с участием гелия-3 :

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.

Каждый раз, когда заходит речь о технологиях термоядерного синтеза, они всегда «появятся через тридцать лет». Так говорили ученые и в 1966 году, и в 1980, и в 2000. На каком же этапе находятся исследования и когда нам ожидать результатов?

Энергия для жизни

Современному человеку практически постоянно необходима энергия, в основном в виде электрического тока. В природе не существует батареек, розеток и проводов, но в достатке присутствуют различные природные явления, которые человек приспособил для генерации электричества.

Они известны нам, как источники энергии. Большинство электростанций на Земле работает за счет движения воды или воздуха, сжигания угля и распада радиоактивных веществ. В первых двух случаях происходит вращение турбин или лопастей и вырабатывается кинетическая энергия (энергия движения). Остальные источники выделяют тепло, то есть энергию тепловую. Затем один тип энергии переводится в другой — происходит генерация электрического тока.

Весьма популярны солнечные батареи: в них используются особые электрические эффекты, благодаря которым свет напрямую преобразуется в ток без «посредников».

Отказ от атомной энергии

Не секрет, что человечество очень и очень давно находится в поисках других источников энергии - альтернативных. Ветряные мельницы и солнечные батареи эффективно работают далеко не во всех регионах Земли и пока что стоят довольно дорого. Строительство гидроэлектростанций представляет собой серьезное вмешательство в окружающую экосистему.

Про сжигание угля даже и не стоит упоминать: про парниковый эффект и про ограниченные запасы ископаемых слышали абсолютно все. Атомные электростанции позволяют получать действительно много энергии, но вызывают массу вопросов и опасений. Технологии контролируемого распада радиоактивных элементов давно отработаны и признаны безопасными, но в случае аварий (которые, увы, случались) ущерб оказывается колоссальным. Многие страны, к счастью или к сожалению, стали отказываться от использования атомной энергии.

Альтернативные источники

В попытках найти дешевый, распространенный, эффективный, не наносящий вред окружающей среде и безопасный (в общем, идеальный) источник энергии человечество перепробовало, кажется, уже все возможные варианты: геотермальную энергию, грозовую, различные виды биологического топлива и еще множество всевозможных идей.

В настоящее время у всех альтернативных источников находятся принципиальные недостатки. Например, в случае с геотермальными источниками это относительно малая распространенность: очень эффективно, если вы живете в Исландии или на Камчатке, но абсолютно бесполезно в центральной части России. Или другая проблема — отсутствие топлива в достаточных количествах и высокая стоимость производства. Создавать, скажем, биоводород, альтернативу бензину, пока что весьма затратно. И не стоит забывать, производство экологически чистого топлива иногда само по себе иногда наносит окружающей среде вред весьма серьезный вред — использование новых источников энергии просто теряет смысл.

Но уже более пятидесяти лет ученых не покидает одна весьма привлекательная идея: разработка технологии управляемого термоядерного синтеза.

Синтез: почему именно он

Принцип действия атомных электростанций основан на свойствах атомных ядер: некоторые элементы расщепить легче, чем другие, это зависит от того, насколько сильно связаны друг с другом составляющие ядер отдельного взято вещества. Оказывается, что сила связи растет от водорода к железу, а затем начинает уменьшаться.

Это говорит о том, что химическим элементам легче железа энергетически выгоднее соединяться, а после железа им выгоднее разделяться на более легкие составляющие. В атомной энергетике используются «тяжелые» вещества, такие как уран, при распаде выделяющие энергию.

На использовании свойств слияния элементов до железа основаны технологии термоядерного синтеза, то есть слияния легких элементов. Такие процессы происходят внутри звезд, в том числе нашего Солнца: атомы водорода при соединении образуют гелий, затем слияние гелия образует более тяжелые элементы, бериллий и литий, и цепочка длится вплоть до образования железа. При всех этих процессах выделяется колоссальная энергия, благодаря которой звезды светятся. Благодаря ней на Земле существует жизнь.

Ломать — не строить

Термоядерный синтез смог бы решить большинство энергетических проблем человечества: количество выделяемой в реакциях энергии значительно превышает все современные источники. Но есть одно «но» — технологически это оказывается сделать очень и очень сложно.

Атомная энергия выделяется фактически сама по себе — радиоактивный распад происходит естественным путем, главное лишь контролировать скорость реакции. Для запуска термоядерного синтеза необходимо сначала сблизить два легких элемента, а потом заставить их слиться. Но это не так просто сделать — они будут отталкиваться тем сильнее, чем меньше будет расстояние между двумя атомами. Температура внутри звезд достигает нескольких тысяч градусов: этой энергии оказывается достаточно для начала реакции. Но человеку такие мощности пока недоступны.

Не раньше 2054 года

Ряд европейских университетов и научно-исследовательских институтов, изучающих проблему термоядерного синеза, создал организацию EUROfusion, цель которой — объединять усилия и наработки в данной сфере. По планам, запуск первой пробной электростанции, DEMO, планировался в 2040 году, но затем был сдвинутс на 2054 год. Некоторые ученые предполагают, что реальные результаты могут быть получены еще позже.

Запуск DEMO откладывается из-за проблем в строительстве реактора ITER, который станет основой будущей электростанции и обеспечит соответствующие мощности. Это совместный проект Европейского союза, Индии, Японии, Южной Кореи, России и США, заложенный на юге Франции. Создание дорогостоящего реактора постоянно тормозится из-за перебоев в инвестициях и внутренних междоусобиц — Китай и Южная Корея запустили проекты собственных демонстрационных реакторов, и их интерес к вкладам в ITER снизился. Но пока не будет закончен реактор, невозможно полностью разработать проект будущей электростанции DEMO. Этот замкнутый круг не позволяет с уверенностью сказать, что мы действительно сможем увидеть результаты через тридцать лет.

Будущее термоядерного синтеза остается туманным. Строительство реактора ITER — огромный шаг вперед, но некоторые настроены весьма скептически: он будет работать короткими «пульсами», а для электростанции, работающей на термоядерном синтезе, необходима бесперебойная подача энергии. Ученым еще явно есть, над чем подумать. Единственное, в чем они уверены наверняка — термоядерный синтез никогда не будет «дешевым, быстрым и малогабаритным».

«Мы сказали, что поместим Солнце в коробку. Идея прекрасна. Но проблема в том, что мы не знаем, как создать эту коробку» - Пьер Жиль де Жен, лауреат нобелевской премии по физике 1991 года.

В то время, как тяжёлых элементов, требующихся для ядерных реакций на Земле и в целом в космосе довольно мало, лёгких элементов для термоядерных реакций очень много как на Земле, так и в космосе. Поэтому идея использовать термоядерную энергию во благо человечества пришла практически сразу с пониманием процессов, лежащих в её основе – это сулило поистине безграничные возможности, так как запасов термоядерного топлива на Земле должно было хватить на десятки тысяч лет вперёд.

Уже в 1951 году появились два основных направления развития термоядерных реакторов: Андреем Сахаровым и Игорем Таммом была разработана архитектура токамака в котором рабочая камера представляла из себя тор, в то время как Лайманом Спитцером была предложена архитектура более замысловатой конструкции по форме более всего напоминающая лист Мёбиуса перевёрнутый не один, а несколько раз.

Простота принципиальной конструкции токамака позволила длительное время развивать это направление за счёт повышения характеристик обычных и сверхпроводящих магнитов, а также путём постепенного увеличения размеров реактора. Но с повышением параметров плазмы постепенно стали также проявляться и проблемы с её нестабильным поведением, которые тормозили процесс.

Сложность конструкции стеллатора и вовсе привела к тому что после первых экспериментов в 50-х годах развитие этого направления на долгое время остановилось. Новое дыхание оно получило совсем недавно с появлением современных систем автоматизированного проектирования, которые позволили спроектировать стеллатор Wendelstein 7-X с необходимыми для его работы параметрами и точностью конструкции.

Физика процесса и проблемы в его реализации

Атомы железа имеют максимальную энергию связи на нуклон – то есть показатель энергии которую нужно затратить чтобы разделить атом на его составляющие нейтроны и протоны, делённый на их общее количество. Все атомы с меньшей и большей массой имеют этот показатель ниже железа:

При этом в термоядерных реакциях слияния лёгких атомов вплоть до железа выделяется энергия, а масса образующегося атома становится слегка меньше суммы масс исходных атомов на величину, соотносящуюся с выделяемой энергией по формуле E=mc² (так называемый дефект массы). Таким же образом выделяется энергия при ядерных реакциях деления атомов тяжелее железа.

При реакциях слияния атомов выделяется огромная энергия, но для того чтобы извлечь эту энергию нам в начале необходимо приложить определённое усилие для преодоления сил отталкивания между атомными ядрами которые являются положительно заряженными (преодолеть кулоновский барьер). После того как нам удалось сблизить пару атомов на необходимое расстояние в действие вступает сильное ядерное взаимодействие, которое связывает нейтроны и протоны. Для каждого вида топлива кулоновский барьер для начала реакции отличается также, как и отличается оптимальная температура реакции:

При этом первые термоядерные реакции атомов начинают фиксироваться задолго до достижения средней температурой вещества этого барьера благодаря тому, что кинетическая энергия атомов подвержена распределению Максвелла:

Но реакция при относительно низкой температуре (порядка нескольких млн °C) идёт крайне медленно. Так скажем в центре температура достигает 14 млн °C, но удельная мощность термоядерной реакции в таких условиях составляет только 276,5 Вт/м³, а для полного расходования своего топлива Солнцу требуются несколько млрд лет. Такие условия являются неприемлемыми для термоядерного реактора, так как при таком низком уровне выделения энергии мы неизбежно будем затрачивать на нагрев и сжатие термоядерного топлива больше, чем будем получать от реакции взамен.

По мере роста температуры топлива всё большая доля атомов начинает обладать энергией, превышающий кулоновский барьер и эффективность реакции растёт, достигая своего пика. С дальнейшим повышением температуры скорость реакции снова начинает падать уже за счёт того, что кинетическая энергия атомов становится слишком большой и они «проскакивают» мима друг друга не в состоянии удержаться сильным ядерным взаимодействием.

Таким образом решение как получить энергию из управляемой термоядерной реакции было получено довольно быстро, но вот реализация этой задачи затянулась на полвека и так ещё до конца и не закончена. Причина этого кроется в поистине безумных условиях, в которые оказалось необходимо поместить термоядерное топливо – для положительного выхода от реакции его температура должна была составлять несколько десятков млн °C.

Такую температуру физически не могли выдержать никакие стенки, но эта проблема почти сразу привела и к её решению: так как разогретое до таких температур вещество является горячей плазмой (полностью ионизованным газом) которое заряжено положительно, то решение оказалось лежащим на поверхности – нам просто надо было поместить такую разогретую плазму в сильное магнитное поле, которое будет удерживать термоядерное топливо на безопасном расстоянии от стенок.

Прогресс на пути его реализации

Исследования по данной теме идут в нескольких направлениях сразу:

с помощью использования сверхпроводящих магнитов учёные стараются сократить энергию, затрачиваемую на зажигание и поддержание реакции;
с помощью новых поколений сверхпроводников повышается индукция магнитного поля внутри реактора, которая позволяет удерживать плазму с более высокими показателями плотности и температуры, что увеличивает удельную мощность реакторов на единицу их объёма;
исследования в области горячей плазмы и успехи в сфере вычислительной техники позволяют лучше контролировать потоки плазмы, тем самым приближая термоядерные реакторы к их теоретическим пределам эффективности;
прогресс в предыдущей области также позволяет дольше удерживать плазму в стабильном состоянии, что увеличивает эффективность реактора за счёт того, что нам не надо так часто разогревать плазму вновь.

Не смотря на все трудности и проблемы, лежавшие на пути к управляемой термоядерной реакции, эта история уже приближается к своему финалу. В энергетике принято использовать показатель EROEI – energy return on energy investment (соотношение затраченной энергии при производстве топлива к тому объёму энергии, который мы из него получаем в итоге) для расчёта эффективности топлива. И в то время как EROEI угля продолжает расти, то этот показатель у нефти и газа достиг своего пика в середине прошлого века и теперь неуклонно падает за счёт того, что новые месторождения этих топлив находятся во всё в более труднодоступных местах и на всё больших глубинах:

При этом наращивать производство угля мы также не можем по той причине, что получение энергии из него является очень грязным процессом и буквально уносит жизни людей прямо сейчас от различных заболеваний лёгких. Так или иначе мы сейчас стоим на пороге заката эры ископаемых топлив – и это не происки экологов, а банальные экономические расчёты при взгляде в будущее. При этом EROI у экспериментальных термоядерных реакторов, появившихся также в середине прошлого века, неуклонно росли и в 2007 году достигли психологического барьера в единицу – то есть в этом году человечеству впервые удалось получить посредством термоядерной реакции больше энергии, чем затратить на её осуществление. И несмотря на то что на реализацию реактора , эксперименты с ним и производство уже первой демонстрационной термоядерной электростанции DEMO на основе полученного при реализации ITER опыта потребуется ещё много времени. Уже нет никаких сомнений в том, что за такими реакторами находится наше будущее.

Критика исследований

Основная критика исследований в области термоядерных реакторов основана на том, что исследования идут крайне медленно. И это правда – от первых экспериментов до производства безубыточной термоядерной реакции нам потребовалось целых 66 лет. Но суть проблемы тут заключается в том, что финансирование таких исследований никогда не достигало необходимого уровня – вот пример оценок Администрации энергетических исследований и разработок США по уровню финансирования проекта постройки термоядерного реактора и времени его завершения:

Как видно по этому графику – удивительно не то что мы до сих пор не имеем коммерческих термоядерных реакторов, производящих электроэнергию, а то, что мы вообще смогли добиться какого-то положительного выхода энергии из экспериментальных реакторов на данный момент.

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.

Категории

Выбор редакции