Термоядерная энергетика

 

Рис. 2.1. Схема токамака: 1 - первичная обмотка трансформатора; 2-катушки тороидального магнитного поля; 3 - лайнер, тонкостенная внутренняя камера для выравнивания тороидального электрического поля; 4 - катушки полоидального магнитного поля; 5 - вакуумная камера; б-железный сердечник (магнитопровод).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2. Схема принципиальных узлов ТОКАМАКа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3. Сечение современного ТОКАМАКа DIII-D с вытянутой по вертикали плазмой и диверторной магнитной конфигурацией.

 

 

 

3. Проблемы управляемого термоядерного синтеза

 

Исследователи всех развитых стран связывают надежды  на преодоление грядущего энергетического  кризиса с управляемой термоядерной реакцией. Такая реакция - синтез гелия  из дейтерия и трития - миллионы лет  протекает на Солнце, а в земных условиях ее вот уже пятьдесят  лет пытаются осуществить в гигантских и очень дорогих лазерных установках, токамаках (устройство для осуществления реакции термоядерного синтеза в горячей плазме) и стеллараторах (замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы). Однако есть и другие пути решения этой непростой задачи, и вместо огромных токамаков для осуществления термоядерного синтеза можно будет, вероятно, использовать довольно компактный и недорогой коллайдер - ускоритель на встречных пучках.

Для работы Токамака необходимо очень небольшое  количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрической мощностью 1 ГВт сжигает около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить 10 трлн. кВт/ч электроэнергии в год, то есть столько же, сколько сегодня производят все электростанции Земли, то мировых запасов дейтерия и лития хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет.

Кроме слияния  дейтерия и лития возможен чисто  солнечный термояд, когда соединяются  два атома дейтерия. В случае освоения этой реакции энергетические проблемы будут решены сразу и навсегда.

В любом  из известных вариантов управляемого термоядерного синтеза (УТС) термоядерные реакции не могут войти в режим  неконтролируемого нарастания мощности, следовательно, таким реакторам  не присуща внутренняя безопасность.

С физической точки зрения задача формулируется  несложно. Для осуществления самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза необходимо и достаточно соблюсти два условия.

1. Энергия,  участвующих в реакции ядер, должна  составлять не менее 10 кэВ.  Чтобы пошел ядерный синтез, участвующие  в реакции ядра должны попасть  в поле ядерных сил, радиус  действия которых 10-12-10-13 с.см. Однако  атомные ядра обладают положительным  электрическим зарядом, а одноименные  заряды отталкиваются. На рубеже  действия ядерных сил энергия  кулоновского отталкивания составляет  величину порядка 10 кэВ. Чтобы  преодолеть этот барьер, ядра  при столкновении должны иметь  кинетическую энергию, по крайней  мере не меньше данной величины.

2. Произведение  концентрации реагирующих ядер  на время удержания, в течение  которого они сохраняют указанную  энергию, должно быть не менее  1014 с.см-3. Это условие - так называемый  критерий Лоусона - определяет  предел энергетической выгодности  реакции. Чтобы энергия, выделившаяся  в реакции синтеза, хотя бы  покрывала расходы энергии на  инициирование реакции, атомные  ядра должны претерпеть много  столкновений. В каждом столкновении, при котором происходит реакция  синтеза между дейтерием (D) и  тритием (Т), выделяется 17,6 МэВ энергии,  т. е. примерно 3.10-12 Дж. Если, например, на поджиг затрачивается энергия  10 МДж, то реакция будет неубыточной,  если в ней примут участие  не менее 3.1018 пар D-T. А для  этого довольно плотную плазму  высокой энергии нужно удерживать  в реакторе достаточно долго.  Такое условие и выражается  критерием Лоусона.

Если  удастся одновременно выполнить  оба требования, проблема управляемого термоядерного синтеза будет  решена.

Однако  техническая реализация данной физической задачи сталкивается с огромными  трудностями. Ведь энергия 10 кэВ - это  температура 100 миллионов градусов. Вещество при такой температуре  удержать в течение даже долей секунды можно только в вакууме, изолировав его от стенок установки.

Но существует и другой метод решения этой проблемы – холодный термояд. Что такое  холодный термояд - это аналог "горячей" термоядерной реакции проходящий при  комнатной температуре.

В природе  существует как минимум, два способа  изменения материи внутри одной  мерности континуума. Можно вскипятить воду на огне, т.е. термически, а можно  в СВЧ печи, т.е. частотно. Результат  один – вода закипает, разница лишь в том, что частотный метод  более быстрый. Также используется достижение сверхвысокой температуры, чтобы расщепить ядро атома. Термический  способ даёт неуправляемую ядерную  реакцию. Энергия холодного термояда – энергия переходного состояния. Одним из основных условий конструкции  реактора для проведения реакции  холодного термояда есть условие  его пирамидально – кристаллической  формы. Другим важным условием есть наличие  вращающегося магнитного и торсионного  полей.

Группа  использовала мензурку с жидким ацетоном размером с два-три стакана. Сквозь жидкость интенсивно пропускались звуковые волны, производя эффект, известный  в физике как акустическая кавитация, следствием которой является сонолюминесценция. Во время кавитации в жидкости появлялись маленькие пузыри, которые  увеличивались до двух миллиметров  в диаметре и взрывались. Взрывы сопровождались вспышками света  и выделением энергии т.е. температура  внутри пузырьков в момент взрыва достигала 10 миллионов градусов по Кельвину, а выделяемой энергии, по утверждению экспериментаторов, достаточно для осуществления термоядерного  синтеза.

"Технически" суть реакции заключается в  том, что в результате соединения  двух атомов дейтерия образуется  третий — изотоп водорода, известный  как тритий, и нейтрон, характеризующийся  колоссальным количеством энергии.

 

3.1 Экономические проблемы

 

При создании УТС предполагается, что это будет  крупная установка, оснащенная мощными компьютерами. Это будет целый маленький город. Но в случае аварии или поломки оборудования, работа станции будет нарушена.

Но в  случае отказа 1 станции много городов  останется без электроэнергии. Это  можно наблюдать на примере АЭС  в Армении. Вывоз радиоактивных  отходов стал очень дорог. По требованию зеленых АЭС была закрыта. Население  осталось без электроэнергии, оборудование электростанции износилось, а деньги, выделенные международными организациями на восстановление, были растрачены.

Серьезной экономической проблемой является дезактивация заброшенных производств, где производилась переработка  урана. Например "в городе Актау - собственный маленький "чернобыль". Он расположен на территории химико-гидрометаллургического завода (ХГМЗ). Излучение гамма-фона в цехе по переработке урана (ГМЦ) местами достигает 11000 микрорентген в час, средний уровень фона - 200 микрорентген (Обычный естественный фон от 10 до 25 микрорентген в час). После остановки завода здесь вообще не проводилась дезактивация. Значительная часть оборудования, около пятнадцати тысяч тонн, имеет уже неснимаемую радиоактивность. При этом столь опасные предметы хранятся под открытым небом, плохо охраняются и постоянно растаскиваются с территории ХГМЗ.

Поэтому раз не существует вечных производств, в связи с появлением новых  технологий УТС может быть закрыта  и тогда предметы, металлы c предприятия  попадут на рынок и пострадает местное население.

В системе  охлаждения УТС будет использоваться вода. Но по данным экологов, если брать  статистику по АЭС, вода из этих водоемов не пригодна для питья.

Сейчас, при строительстве АЭС не предусматриваются средства, которые бы возвращали местность в первоначальное состояние.

Заключение

 

Таким образом, термоядерная энергетика - это потенциальный  кандидат для базовой энергетики будущего. Термояд имеет практически  неограниченные запасы топлива и  других материалов, используемых при  производстве энергии. Существует принципиальная возможность создания низкоактивируемых  конструкционных материалов, которые  будут "остывать" за время нескольких десятков лет и затем смогут быть переработаны и использованы вновь. Безопасность термоядерного реактора на много порядков превосходит безопасность ядерных электростанций деления.

Основным  недостатком термоядерных реакторов  является технологическая сложность  осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции. Системы с  магнитным удержанием требуют огромных сверхпроводящих магнитных катушек, глубокого вакуума и чистоты  стенок реактора, умения утилизировать  высокие тепловые и нейтронные потоки, дистанционного обслуживания реактора. Импульсные системы требуют развития эффективных драйверов, способных  сконцентрировать мощности свыше 1014 Вт/см2 и равномерно облучать миллиметровые  мишени, изготовленные с большой  точностью.

Приведенный выше обзор термоядерных исследований показывает, что почти во всех направлениях происходит непрерывный и уверенный  прогресс. ТОКАМАКи достигли термоядерного  выхода Q ~ 1 и показали принципиальную возможность стать прототипом магнитного термоядерного реактора. Не вызывает сомнений, что установка следующего поколения достигнет условий  зажигания и будет производить  термоядерную мощность на уровне 1 ГВт. Проект международного реактора-ТОКАМАКа ИТЭР показал, что такая машина может  быть построена при современном  уровне развития технологии и будет  способна провести физические и ядерно-технологические  испытания, необходимые для создания первой опытной термоядерной электростанции. Ожидается, что ИТЭР начнет работу в 2010-2011 г и закончит свою программу  к 2030-2031 г. К этому времени может  быть построена и первая опытная термоядерная электростанция на основе ТОКАМАКа.

Огромный  прогресс был достигнут и в  области импульсной термоядерной техники. Были разработаны мишени, способные  обеспечивать высокий термоядерный выход, определены минимальные масштабы драйверов и сформулированы необходимые  технические требования. В настоящее  время в США активно строится первая лазерная установка NIF, которая  будет способна получить положительный  термоядерный выход в лабораторных условиях. Ожидается, что полученные экспериментальные результаты позволят разработать эффективные мишени с большим термоядерным выходом. Параллельно будет проводиться  работа по созданию эффективных драйверов  для обжатия мишеней. Несомненно, что разработка инерционного термоядерного  реактора потребует не одну промежуточную  установку. Предполагается, что следующая  после NIF машина будет способна осуществлять многократные обжатия мишеней с  нужной частотой повторяемости. На этом этапе будут проверены и прототипы  камер для реактора, способные  снимать тепловые и механические нагрузки. Основная задача этого направления  управляемого термоядерного синтеза  разработка эффективных драйверов. Если ТОКАМАК уже готов к тому, чтобы сделать следующий шаг  к установке, в которой будут  проинтегрированы уже все необходимые  узлы термоядерного реактора, инерционный  синтез, пока, находится на стадии физических исследований и, вероятнее всего, будет  готов к строительству первой опытной электростанции лет на 20 позже, чем реактор, основанный на магнитном  удержании, т.е. к 2050 г.

Именно  к этому времени возникнет  необходимость замены нынешнего  энергетического носителя - органических топлив. К середине следующего века ожидается появление серьезных  покупателей ядерной и в том  числе термоядерной энергетики. Пока же термоядерная программа развивается  за счет государственного финансирования, которое составляет в сумме по всем странам около 1.2-1.3 млрд. долларов в год. Существует ложная точка зрения, повторяющаяся время от времени в средствах массовой информации, что термоядерные исследования это чрезвычайно дорогая программа. То, что это не так, можно видеть, пронормировав полную сумму на душу налогоплательщика стран, активно участвующих в термоядерных исследованиях - США, Японии, Европы и России. Окажется, что средний налогоплательщик этих стран платит 2-3 доллара в год на развитие термоядерной энергетики, что составляет всего 0.1% его расходов на электроэнергию и другие энергоносители. И хотя предварительные оценки показывают, что цена электроэнергии, производимой термоядерным реактором, будет в 1.5-2 раза выше, чем нынешняя цена электроэнергии производимой современными электростанциями, сжигающими органическое топливо, можно согласиться с автором работы, что такое сравнение неправомерно для систем, которые будут конкурировать, лишь, через несколько десятков лет. Непрерывный прогресс в области термоядерного синтеза, который происходил в течение последних 30 лет, приводил к постепенному, но уверенному продвижению в параметрах плазмы в термоядерных устройствах. В то же время можно ожидать, что в долговременной перспективе традиционные методы производства энергии будут испытывать все более ужесточающиеся экономические последствия загрязнения окружающей среды.

Очень важно  сохранять устойчивость и широту исследований в области освоения ядерных реакций синтеза и  создавать условия, позволяющие  непрерывный технологический прогресс в этом направлении. Это является совершенно необходимым условием готовности термоядерной энергетики к середине следующего века.

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Богуславский, Л.Д. Снижение расхода энергии при работе систем отопления и вентиляции. [Текст] / М., Стройиздат, 1985, 340 с.
2. Одум, Э. Энергетический базис человека и природы. [Текст] / Э. Одум,           Ю. Одум ; – М.: Энергия, 1977 г., 384 с.
3. Сиборг, Г.Т. Элементы Вселенной [Текст] / Г.Т. Сиборг, Э.Г. Вэленс – Москва: Наука, 1966 - 264 с.
4. Бор, Н. Атомная физика и человеческое познание. [Текст] / Н. Бор –  М., 1961, 152 с.
5. Кирнева, Н.А. Современные исследования на установках Токамак [Текст] /  Н.А. Кирнева – М.: МИФИ, 2008, 188 с.