Термоядерная энергетика

Введение

Проблема  управляемого термоядерного синтеза - одна из важнейших задач, стоящих  перед человечеством.

Человеческая  цивилизация не может существовать, а тем более развиваться без  энергии. Все хорошо понимают, что  освоенные источники энергии, к  сожалению, могут скоро истощиться. По данным Мирового энергетического  совета, разведанных запасов углеводородного  топлива на Земле осталось на 30 лет.

Сегодня основными источниками энергии  служат нефть, газ и уголь.

По оценкам  специалистов, запасы этих ископаемых на исходе. Почти не осталось разведанных, годных к освоению месторождений  нефти и уже наши внуки могут  столкнуться с очень серьезной  проблемой нехватки энергии.

Наиболее  обеспеченные топливом атомные электростанции могли бы, конечно, еще не одну сотню  лет снабжать человечество электроэнергией.

Исходный факт:

Ядерная энергия выделяется при распаде  или синтезе атомных ядер. Любая  энергия - физическая, химическая, или  ядерная проявляется своей способностью выполнять работу, излучать высокую  температуру или радиацию. Энергия  в любой системе всегда сохраняется, но она может быть передана другой системе или изменена по форме.

Достижению условий управляемого термоядерного синтеза препятствуют несколько основных проблем:

• Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой температуры.
• Во-вторых, количество выделяемой энергии должно быть больше, чем было затрачено для нагревания и ограничения плотности газа.
• В-третьих, накопление этой энергии и преобразование её в электричество

1. Термоядерные реакции на Солнце

Что является источником солнечной  энергии? Какова природа процессов, в ходе которых производится огромное количество энергии? Сколько времени  будет еще светить Солнце?

Первые попытки ответить на эти  вопросы были сделаны астрономами  в середине ХIX века, после формулирования физиками закона сохранения энергии.

Роберт Майер предположил, что  Солнце светит за счет постоянной бомбардировки  поверхности метеоритами и метеорными частицами. Эта гипотеза была отвергнута, так как простой расчет показывает, что для поддержания светимости Солнца на современном уровне необходимо, чтобы на него за каждую секунду  выпадало 2∙10¹⁵ кг метеорного вещества. За год это составит 6∙10²² кг, а за время существования Солнца, за 5 миллиардов лет – 3∙10³² кг. Масса Солнца М = 2∙10³⁰ кг, поэтому за пять миллиардов лет на Солнце должно было выпасть вещества в 150 раз больше массы Солнца.

Вторая гипотеза была высказана  Гельмгольцем и Кельвином также в середине ХIX века. Они предположили, что Солнце излучает за счет сжатия на 60–70 метров ежегодно. Причина сжатия – взаимное притяжение частиц Солнца, именно поэтому данная гипотеза получила название контракционной. Если сделать расчет по данной гипотезе, то возраст Солнца будет не больше 20 миллионов лет, что противоречит современным данным, полученным по анализу радиоактивного распада элементов в геологических образцах земного грунта и грунта Луны.

Третью гипотезу о возможных  источниках энергии Солнца высказал Джеймс Джинс в начале ХХ века. Он предположил, что в недрах Солнца содержатся тяжелые радиоактивные элементы, которые самопроизвольно распадаются, при этом излучается энергия. Например, превращение урана в торий и затем в свинец, сопровождается выделением энергии. Последующий анализ этой гипотезы также показал ее несостоятельность; звезда, состоящая из одного урана, не выделяла бы достаточно энергии для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца. Кроме того, существуют звезды, по светимости во много раз превосходящие светимость нашей звезды. Маловероятно, что в тех звездах запасы радиоактивного вещества будут также больше.

Самой вероятной гипотезой оказалась  гипотеза синтеза элементов в  результате ядерных реакций в  недрах звезд.

В 1935 году Ханс Бете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году.

Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства  других звезд. Примерно 75 % – это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной "тяжелых" элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия и даже многие альфа-частицы, образовались в ходе "горения" водорода в звездах при термоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десять миллиардов лет.

Основной источник энергии – протон-протонный цикл – очень медленная реакция (характерное время 7,9∙10⁹ лет), так как обусловлена слабым взаимодействием. Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВ энергии. Количество нейтрино, излучаемое Солнцем за секунду, определяется только светимостью Солнца. Поскольку при выделении 26,7 МэВ рождается 2 нейтрино, то скорость излучения нейтрино: 1,8∙10³⁸ нейтрино/с. Прямая проверка этой теории – наблюдение солнечных нейтрино. Нейтрино высоких энергий (борные) регистрируются в хлор-аргонных экспериментах (эксперименты Дэвиса) и устойчиво показывают недостаток нейтрино по сравнению с теоретическим значением для стандартной модели Солнца. Нейтрино низких энергий, возникающие непосредственно в рр-реакции, регистрируются в галлий-германиевых экспериментах (GALLEX в Гран Сассо (Италия – Германия) и SAGE на Баксане (Россия – США)); их также "не хватает".

По некоторым предположениям, если нейтрино имеют отличную от нуля массу  покоя, возможны осцилляции (превращения) различных сортов нейтрино (эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна) (существует три сорта нейтрино: электронное, мюонное и тауонное нейтрино). Т.к. другие нейтрино имеют  гораздо меньшие сечения взаимодействия с веществом, чем электронное, наблюдаемый  дефицит может быть объяснен, не меняя стандартной модели Солнца, построенной на основе всей совокупности астрономических данных.

Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

Центральные части Солнца будут  сжиматься, разогреваясь, а тепло, передаваемое при этом внешней оболочке, приведет к ее расширению до размеров, чудовищных по сравнению с современными: Солнце расширится настолько, что поглотит Меркурий, Венеру и будет тратить  "горючее" в сто раз быстрее, чем в настоящее время. Это приведет к увеличению размеров Солнца; наша звезда станет красным гигантом, размеры которого сравнимы с расстоянием от Земли до Солнца!

Мы, конечно, будем заранее поставлены в известность о таком событии, поскольку переход к новой  стадии займет примерно 100–200 миллионов лет. Когда температура центральной части Солнца достигнет 100 000 000 К, начнет сгорать и гелий, превращаясь в тяжёлые элементы, и Солнце вступит в стадию сложных циклов сжатия и расширения. На последней стадии наша звезда потеряет внешнюю оболочку, центральное ядро будет иметь невероятно большую плотность и размеры, как у Земли. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и Солнце остынет, превратившись в белый карлик.

2. Токамак

ТОКАМАК – устройство для осуществления  реакции термоядерного синтеза  в горячей плазме в квазистационарном  режиме, причем плазма создается в  тороидальной камере и ее стабилизирует  магнитное поле. Предназначение установки  – преобразование внутриядерной  энергии в тепловую и далее  – в электрическую. Само cлово «токамак»  является аббревиатурой от названия «тороидальная камера магнитная», однако создатели установки заменили в  конце «г» на «к», чтобы не вызывать ассоциаций с чем-то магическим.

Атомную энергию (и в реакторе, и в бомбе) человек получает, разделяя ядра тяжелых  элементов на более легкие. Энергия, приходящаяся на нуклон, максимальна  для железа (так называемый «железный  максимум»), а т.к. максимум посредине, то энергия будет выделяться не только при распаде тяжелых, но и при  соединении легких элементов. Этот процесс  называется термоядерным синтезом, он происходит в водородной бомбе и  термоядерном реакторе. Термоядерных реакций, реакций синтеза, известно много. Источником энергии могут  быть те, для которых есть недорогое  топливо, причем возможны два принципиально  разных пути запуска реакции синтеза.

Первый  путь – «взрывной»: часть энергии  тратится на то, чтобы привести в  необходимое исходное состояние  очень небольшое количество вещества, происходит реакция синтеза, выделившаяся энергия преобразуется в удобную  форму. Собственно, это водородная бомба, только весом в миллиграмм. В качестве источника исходной энергии использовать атомную бомбу нельзя она не бывает «маленькой». Поэтому предполагалось, что миллиметровая таблетка из дейтерий-тритиевого льда (или стеклянная сфера со сжатой смесью дейтерия и трития) будет  облучаться со всех сторон лазерными  импульсами. Плотность энергии на поверхности должна быть при этом такой, чтобы превратившийся в плазму верхний слой таблетки оказался нагрет до температуры, при которой давление на внутренние слои и сам нагрев внутренних слоев таблетки станут достаточными для реакции синтеза. При этом импульс должен быть настолько коротким, чтобы вещество, превратившееся за наносекунду в плазму с температурой в десять миллионов градусов, не успевало разлететься, а давило на внутреннюю часть таблетки. Эта внутренняя часть сжимается до плотности, в сто раз большей, чем плотность твердых тел, и нагревается до ста миллионов градусов.

Второй  путь. Исходные вещества можно нагреть  относительно медленно – они превратятся  в плазму, а потом в нее можно  любым способом вводить энергию, вплоть до достижения условий начала реакции. Для протекания термоядерной реакции в смеси дейтерия с  тритием и получения положительного выхода энергии (когда энергия, выделившаяся в результате термоядерной реакции  окажется больше энергии, затраченной  на осуществление этой реакции), нужно  создать плазму с плотностью хотя бы 1014 частиц/см3 (10–5 атм.), и нагреть  ее примерно до 109 градусов, при этом плазма становится полностью ионизованной.

Такой нагрев необходим, чтобы ядра могли сблизиться, несмотря на кулоновское отталкивание. Можно показать, что для получения  энергии нужно поддерживать это  состояние не менее секунды (так  называемый «критерий Лоусона»). Более  точная формулировка критерия Лоусона  – произведение концентрации и времени  поддержания этого состояния  должно быть порядка 1015 сЧсм–3. Главная  проблема – устойчивость плазмы: за секунду она много раз успеет расшириться, коснуться стенок камеры и охладиться.

В 2006 международное  сообщество приступает к строительству  демонстрационного реактора. Этот реактор  не будет настоящим источником энергии, но он спроектирован так, что после  него – если все нормально заработает – можно будет приступить к  строительству «энергетических», т.е. предназначенных для включения  в энергосеть, термоядерных реакторов. Самые крупные физические проекты (ускорители, радиотелескопы, космические  станции) становятся настолько дорогими, что рассмотрение двух вариантов оказывается не по карману даже объединившему свои усилия человечеству, поэтому приходится делать выбор.

Начало  работ над управляемым термоядерным синтезом следует отнести к 1950, когда  И.Е.Тамм и А.Д.Сахаров пришли к  выводу, что реализовать УТС (управляемый  термоядерный синтез) можно с помощью  магнитного удержания горячей плазмы. На начальном этапе работы у нас  в стране велись в Курчатовском институте  под руководством Л.А.Арцимовича. Основные проблемы можно разделить на две  группы – проблемы неустойчивости плазмы и технологические (чистый вакуум, стойкость к облучению и т.п.) Первые токамаки были созданы в 1954–1960, сейчас в мире построено более 100 токамаков. В 1960-х было показано, что  только с помощью нагрева за счет пропускания тока («омического нагрева») нельзя довести плазму до термоядерных температур. Наиболее естественным путем  повышения энергосодержания плазмы казался метод внешней инжекции быстрых нейтральных частиц (атомов), но только в 1970-х был достигнут  необходимый технический уровень  и поставлены реальные эксперименты с применением инжекторов. Сейчас наиболее перспективными считаются  нагрев нейтральных частиц инжекцией  и электромагнитным излучением СВЧ-диапазона. Размеры спроектированного реактора – 30 метров в диаметре при 30-метровой высоте. Ожидаемый срок сооружения этой установки – восемь лет, а  срок эксплуатации – 25 лет. Объем плазмы в установке – порядка 850 кубических метров. Ток в плазме – 15 мегаампер. Термоядерная мощность установки 500 Мегаватт поддерживается в течение 400 секунд. В дальнейшем это время предполагается довести до 3000 секунд, что даст возможность  проводить на реакторе ИТЭР первые реальные исследования физики термоядерного  синтеза («термоядерного горения») в  плазме.

Устройство  выглядит так – тороидальная камера надета на сердечник трансформатора, плазма в камере является, по сути дела, обмоткой трансформатора. Из камеры откачивают атмосферный воздух, а потом напускают смесь газов, содержащих те атомы, которые будут участвовать в синтезе. Затем по первичной обмотке трансформатора пропускают импульс тока, достаточный для того, чтобы во вторичной «обмотке» (т.е. в газе) произошел пробой и начал течь ток. При протекании тока плазма нагревается, но одним этим методом не удается ее нагреть выше 20 млн. градусов, поскольку с ростом температуры сопротивление плазмы и выделение тепла уменьшаются. Ток, текущий по плазме, создает свое магнитное поле, которое сжимает плазму, увеличивая ее температуру и концентрацию, но этого еще недостаточно для достижения критерия Лоусона, поэтому плазму надо нагревать дополнительно. Этот добавочный нагрев может достигаться электромагнитным излучением частотой от 10 Мгц до 10 Ггц, потоком нейтральных атомов с высокой энергией – около 0,1 МэВ или сжатием внешним переменным магнитным полем.