К вопросу о перспективах развития атомной энергетики
Часть четвёртая. Токамак и Cтелларатор.
На каком-то этапе развития человечество вступило в первый этап техногенной эры. Появились паровые установки, затем двигатели внутреннего сгорания, турбины, ядерные реакторы. Что объединяет все эти столь разные перечисленные устройства? Их объединяет использование ископаемого топлива, которое рано или поздно кончится. Нефть и газ раньше, уран и торий позже. По самым скромным подсчётам рентабельные запасы нефти и газа истощатся лет через 50, максимум через 100. Уголь закончится через 200 - 300 лет. И что тогда? В данном случае, как это ни пафосно звучит, судьба человечества находится в руках энергетиков. Или мы оторвём задницу от стула и разработаем принципиально новые методы получения энергии (а заодно и энергосберегающие технологии) и наступит следующий этап развития цивилизации, или неминуема деградация до гужевой тяги.
Действительно, все эти реакторы большой мощности канальные, водо-водяные и даже реакторы на быстрых нейтронах – прошлый день, ну в лучшем случае - день сегодняшний. За мной, читатель, и только за мной, я расскажу тебе об установках, которые будут работать и через тысячу лет.
Каждый знает, какую грандиозную картину представляет собой звёздное небо. За счет протекающих в звёздах термоядерных реакций выделяется колоссальная энергия. На расстоянии астрономической единицы, т.е. на расстоянии орбиты Земли от нашего Солнца на площадку единичной площади, перпендикулярной излучению, приходится 1367 Вт/м. кв. Каждую секунду Солнце теряет 4,2 миллиона тонн своей массы, трансформирующейся в излучение. Подсчитаем, сколько из этого океана энергии достается Земле. Считается эта цифра легко, как соотношение площади проекции Земли на плоскость к площади сферы радиусом 150 миллионов километров, а именно:
1/4 (Rземли/Rсферы)2 = 0,45.10-9.
Таким образом, на коммунальные нужды Земли, т.е. на отопление и освещение приходится только 1,89 кГ этой массы в секунду.
Естественно возникает вопрос: нельзя ли процессы, протекающие на Солнце (на рис. 1. показана поверхность Солнца с тёмным пятном), приручить, воспроизвести на нашей Земле и использовать для производства энергии? Давайте рассмотрим эти процессы подробнее.
1. Цепочки термоядерных реакций.
На Солнце протекают цепочки реакций синтеза, т.е. реакций, при которых из двух лёгких ядер создается новое, более тяжёлое. Рассмотрим некоторые из них. Первая реакция – синтез двух ядер водорода. Как известно из школьного курса химии, ядро водорода состоит из протона. На больших расстояниях между атомами водорода положительные заряды их ядер экранируются электронами. Но при сближении кулоновские силы отталкивания (проходят в школе на уроках физики) становятся всё сильнее, т.к. сила кулоновского взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между протонами. Для преодоления кулоновского барьера нужна чрезвычайно высокая энергия. Для того, чтобы представить о величине кулоновских сил, предположим, что нам удалось отделить протоны и электроны в одном грамме водорода и разнести их на расстояние в 1 километр. Сила притяжения между протонами и электронами в этом случае будет равна шестистам тысячам тонн! Соответственно и силы отталкивания такие же. Зато на расстоянии порядка размера протона всё сильнее сказывается так называемое «сильное взаимодействие», которое стремится объединить протоны. Так вот, протоны при синтезе создают дейтрон, позитрон и электронное нейтрино, и при этом выделяется всего 1,442 МэВ энергии:
p + p → D + e+ + νe + 1,442 МэВ (1)
Однако вот незадача: выход энергии мизерный и вероятность осуществления этой реакции крайне мала, она протекает на Солнце только из-за того, что количество водорода на нём огромно и всегда найдётся пара протонов, желающих слиться в экстазе. Вывод: реакция протон – протон нам не подходит.
Рассмотрим другую цепочку реакции синтеза, а именно синтез ядра дейтерия и трития:
D + T −> 4He + n + 17.6 МэВ (2)
Всем эта реакция хороша, и температура для её протекания нужна «всего» порядка 100 миллионов градусов. При такой температуре атомы распадаются на смесь ядер и электронов, возникает состояние вещества, которое называется плазмой. Если высокотемпературную плазму удастся удержать в магнитном поле, то есть шанс запустить реакцию ядерного синтеза. Но тут есть две маленькие проблемы – период полураспада трития всего 12,32 года, да и нет его в природе. А промышленное получение его крайне дорогостоящее, получают его в реакторах, облучая литий нейтронами:
6Li + n −> 3T + 4He + 4.8 МэВ (3)
Кстати, эта же реакция протекает во время взрыва термоядерного заряда. Тритий образуется при облучении нейтронами дейтерида лития, а затем происходит синтез ядер дейтерия и образовавшегося трития.
Подсчитаем энергетический баланс такой реакции синтеза. Однако для начала укроем нашу гипотетическую установку "одеялом" из урана-238, так называемым бланкетом (blanket с английского и есть одеяло). Итак, в реакции (2) на долю гелия 4He приходится 3,5 Мэв, на долю нейтрона 14,1 Мэв. Нейтрон, попадая в урановое одеяло, осуществляет одно деление, в результате которого производятся дополнительно ~ 2,6 нейтрона. Один из них тратится на производство трития, как это показано в (3), и у нас остается ~ 1,6 нейтрона, которые поглощаются ядрами урана-238 и дают ~ 1,6 ядер плутония-239 (см. III часть статьи о реакторах на быстрых нейтронах). Таким образом один нейтрон реакции термоядерного синтеза обеспечивает энергию деления одного ядра U238 и 1,6 ядра PU239, т.е (1 деление U238 и 1,6 делений PU239) х 200 Мэв ≈ 520 Мэв.
Эта величина в 30 раз больше, чем исходные 17,6 Мэв. Запасы изотопа 6Li достаточно велики, на порядок больше запасов урана и тория. Как говорится, игра стоит свеч.
Кроме реакции (2) можно использовать реакцию дейтрон - дейтрон, она может идти по двум равновероятным сценариям:
D + D = T + p + 4,03 МэВ (4)
D + D = 3He + n + 3,27 МэВ
Так как в одной тонне морской воды содержится 150 грамм тяжелой воды D2O, то читатель самостоятельно может подсчитать совокупные запасы дейтерия.
Однако минимальная температура для такой реакции намного выше чем (2) и составляет 109 К.
ЭТО ИНТЕРЕСНО: Реакция синтеза типа (4) была осуществлена в октябре 1952 года в ходе испытаний Ivy Mike (видеозапись проведения этого испытания на атолле Эниветок (Enewetak) смотрим тут: https://youtu.be/QQkERBM_gBk
Мощность взрыва устройства «колбаса» (Sausage) была порядка 10,4 мТ. Запал в виде плутониевой бомбы (первая ступень) размещался рядом с огромным сосудом Дьюара со сжиженным дейтерием (вторая ступень). Вторая ступень сжималась в процессе абляции. Вся конструкция весила под сотню тонн (см. рис. 2). В результате взрыва часть атолла, на которой проводилось испытание, была полностью разрушена.
При температурах порядка 109 К возможно протекание реакцию синтеза дейтерия и гелия:
D + 3He −> 4He + H + 18.4 МэВ (5)
Но тут свои проблемы: гелия пруд пруди на Луне, но для его добычи опять надо оторвать задницу от стула.
Вообще сложность протекания термоядерных реакций прямо пропорциональна произведению плотности плазмы на время её удержания. Это произведение называется критерием Лоусона. Для реакции (2) D+T nτ ~0,5·1015 см−3·с,
где n — плотность высокотемпературной плазмы, τ — время удержания плазмы в системе.
По этому параметру условия протекания реакции (5) D + 3He примерно на два порядка сложнее, чем реакции (2) D + T.
Так что с большой степенью вероятности в первых промышленных термоядерных энергетических установках будут использоваться реакции синтеза типа (2).
2. Конструкции установок управляемого термоядерного синтеза.
Теперь перейдём к рассмотрению конструкций таких реакторов. На сегодняшний день существуют два основных типа установок: ТОКАМАК (расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками») и СТЕЛЛАРАТОР (название происходит от слова stella, что означает звезда).
Токамак
ЭТО ИНТЕРЕСНО: Когда у одного видного ученого спросили, когда можно ждать результатов в разработках по токамаку, он ответил: через 20 лет. Прошло 20 лет, вопрос повторили, и он опять ответил: через 20 лет. Видите, я своего мнения не меняю, добавил он.
Идея впервые была сформулирована ученым-самоучкой О. А. Лаврентьевым [1] в письме, которое он, находясь на военной службе на Сахалине, направил в ЦК ВКП(б) [2] в 1950-го году, и получила дальнейшее теоретическое обоснование в работах А. Д. Сахарова и И. Е. Тамма.
Токамак представляет собой вакуумную камеру тороидальной формы (представьте себе полый бублик) с системой сверхпроводящих катушек (см. рис. 3).
Фактически плазменный шнур в вакуумной камере представляет собой виток вторичной обмотки. А, как известно, вокруг проводника с током создается магнитное поле. Так вот комбинация магнитных полей должна удерживать плазменный шнур от касания стенок вакуумной камеры
Реально все физические процессы, проходящие в токамаках, более или менее ясны. Технологические проблемы сводятся в основном к увеличению времени удержания плазмы, увеличению её температуры и уменьшению примесей, переносимых со стенок камеры в плазму.
С примесями борьба идет путём применения принципиально новых материалов покрытия внутренней поверхности камер (углеситаллы) и устройством специальных полоидальных диверторов (отклонителей).
Время удержания плазмы растёт с диаметром тора, который сильно ограничен финансированием. Проблема срыва плазменного шнура, т.е импульсного выделения большой энергии на стенках камеры может быть решена путем впрыскивания в камеру примесей, которые испаряясь и переизлучая энергию у стенок камеры, ограничивали бы контакт шнура со стенкой.
В настоящее время на юге Франции идёт строительство токамака в рамках международного проекта «Интернациональный термоядерный экспериментальный реактор» или ITER .
Схема реактора ИТЭР приведена на рис. 4.
ЭТО ИНТЕРЕСНО: На этапе вступления Китая в проект ИТЭР, от стран, уже работающих в этом проекте, поступило предложение о компенсации со стороны КНР части произведенных к этому моменту финансовых затрат странами-участницами. На что был получен ответ: это вы нам должны заплатить. Для того, чтобы граждане Китая имели такие же возможности по энергопотреблению, как и европейцы, мы будем сжигать миллионы тонн мазута. Что будет после этого с Европой?
Красивый снимок внутренней поверхности вакуумной камеры приведён в «Вестнике Атомпрома» http://vestnikatomproma.ru/publications/read/36 (рис. 5).
Реактор, реализуемый в рамках проекта ИТЭР, обещает стать прорывом в области строительства установок этого типа.
Стелларатор.
Результирующее магнитное поле в токамаке создаётся в результате взаимодействия полей катушек и поля вокруг плазменного шнура. В результате образуется конфигурация, в которой винтовые магнитные силовые линии «обвивают» плазменный шнур. При этом шаг при вращении в тороидальном направлении не совпадает с шагом в полоидальном направлении. Магнитные линии оказываются незамкнутыми, они бесконечно много раз закручиваются вокруг тора, образуя т. н. «магнитные поверхности» тороидальной формы (см. рис. 6).
Однако в плазменном шнуре токамака возможны автоколебательные процессы, вследствие чего шнур может извиваться по спирали. В результате конфигурация магнитного поля вокруг шнура тоже меняется, т.к. ток течёт по плазме. Стелларатор свободен от этого явления, поскольку все магнитные поля создаются внешними катушками. Его силовые линии подвергаются т. н. вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей. Это в свою очередь достигается как с помощью геометрической деформацией вакуумной камеры, так и специальной навивкой проводников на вакуумную камеру. На рисунке 7 приведена конфигурация магнитных полей стелларатора.
Сама вакуумная камера помещена в кожух и по своей форме больше всего напоминает сильно смятый и скрученный бублик (см. схематичное изображение на рис. 8). Фрагмент камеры с электромагнитными катушками показан на рис. 9, а на рисунке 10 представлена сборка стелларатора. Легко видеть, насколько сложна и высокотехнологична данная установка.
Характерной особенностью стеллалаторов является стабильность плазменного шнура. Однако до недавнего времени на них не удавалось достичь температур, сравнимых с токамаками. И только пройдя свой путь развития, стеллараторы вышли на новые горизонты по температуре плазмы. Основной проблемой в них является сложнейшая форма камеры и катушек, которые должны быть выполнены с ювелирной точностью.
Выводы
1) Будущее энергетики за управляемым термоядерным синтезом.
2) Завтрашним энергетикам для того, чтобы быть в теме, необходимо учить физику. Scientia est potentia, что означает: "Знание - сила", как было сказано английским философом Фрэнсисом Бэконом.
З.Ы.
В качестве послесловия автору хотелось бы сказать, что энергетический кризис - не единственная и не самая страшная угроза, которая стоит перед человечеством (о терроризме мы писать не будем). Подумаешь - перейдём на гужевую тягу! Реально перед нами маячат: загрязнение атмосферы с выбросом газов, усиливающих парниковый эффект; нехватка пресной воды; продовольственный кризис; рост площадей, заваленных мусором; истощение залежей полезных ископаемых и корень всех бед - катастрофический рост населения Земли. На сегодняшний день население некоторых стран сильно зашкаливает за миллиард, и когда у этих стран возникнет дефицит территории, реально возникновение войн такого масштаба, что войны двадцатого века покажутся детской игрой в солдатики.
Два таких понятия как "Экология" и "Экономика" имеют один корень: (от др.-греч. οἶκος — обиталище, жилище, дом, имущество). Так вот, эти два понятия являются антагонистами. Это означает, что нельзя развивать экономику, не убивая экологию. И если мы - человечество, не хотим превратить свой дом - планету Земля в обглоданный шарик с ядовитыми океанами, отравленной атмосферой и с сушей, заваленной отходами, то человечеству надо освоить такое понятие, как самоограничение. Ограничение по численности населения, по потреблению, по использованию ресурсов и пр. и пр.
Канцлер Конрад Аденауэр сказал однажды: "У меня к Господу по большому счету только одна претензия: Он ограничил человеческий ум, забыв при этом ограничить человеческую глупость."
Так вот, или человечество наконец поумнеет, или погубит себя и всё живое. Альтернативы нет.
На этой оптимистичной ноте я и закончу статью.
Список литературы:
1) Лаврентьев, Олег Александрович. Материал из Википедии.
2) «Предложение О. А. Лаврентьева, отправленное в ЦК ВКП(б) 29 июля 1950 г.» УФН 171 905—907 (2001).
3) С. В. Мирнов. Токамаки: триумф или поражение? Журнал Природа №12, 1999 г. vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/12_99/TOK_2.PDF
4) Вестник Атомпрома. ПИКовое событие. http://vestnikatomproma.ru/publications/read/36
5) Управляемый термоядерный синтез. Материал из Википедии.
6) Токамак. Энциклопедия Кругосвет. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/TOKAMAK.html
7) Термоядерное оружие в США: история создания.
8) http://himza.ru/tree/tree.php?id=111237
9) Термоядерный реактор. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4088.html
10) Токамак и Стелларатор. http://www.quantum-tech.ru/termoyadernyisintez/tokamak.html
11) Международный экспериментальный термоядерный реактор. http://ru.wikipedia.org/wiki/ITER
12) Пономарев Л. И. Под знаком кванта. Москва, Физматлит, 2005 г. - ISBN 5-9221-0653-8
Автор - Некрасов Александр, эксперт Международного хозяйственного объединения Интератомэнерго.