Термоядерная энергетика
Термоядерная энергетика
Полный текст: Е.П. Велихов, С.В. Путвинский Термоядерная энергетика
Доклад от 22.10.1999, выполненный в рамках Energy Center of the World Federation of
Scientists
По современным физическим представлением, существует всего
несколько фундаментальных источников энергии, которые, в принципе, могут быть
освоены и использованы человечеством. Ядерные реакции синтеза - это один из
таких источников энергии. В реакциях синтеза энергия производится за счет работы
ядерных сил, совершаемых при слиянии ядер легких элементов и образовании более
тяжелых ядер. Эти реакции широко распространены в природе - считается, что
энергия звезд и, в том числе, Солнца производится в результате цепочки ядерных
реакций синтеза, превращающих четыре ядра атома водорода в ядро гелия.
...
Какие же преимущества имеет термоядерный синтез по сравнению с ядерными реакциями деления, которые позволяют надеяться на широкомасштабное развитие термоядерной энергетики? Основное и принципиальное отличие заключается в отсутствии долгоживущих радиоактивных отходов, которые характерны для ядерных реакторов деления. И хотя в процессе работы термоядерного реактора первая стенка активируется нейтронами, выбор подходящих низкоактивируемых конструкционных материалов открывает принципиальную возможность создания термоядерного реактора, в котором наведенная активность первой стенки будет снижаться до полностью безопасного уровня за тридцать лет после остановки реактора. Это означает, что выработавший ресурс реактор нужно будет законсервировать всего на 30 лет, после чего материалы могут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Эта ситуация принципиально отличается от реакторов деления, которые производят радиоактивные отходы, требующие переработки и хранения в течении десятков тысяч лет. Кроме низкой радиоактивности, термоядерная энергетика имеет огромные, практически неисчерпаемые запасы топлива и других необходимых материалов, достаточных для производства энергии в течении многих сотен, если не тысяч лет.
...
Оказалось, что для достижения цели физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не догадывались в начале пути. В течении этих 40 лет была создана наука - физика плазмы, которая позволила понять и описать сложные физические процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить не менее сложные проблемы, в том числе, научиться создавать глубокий вакуум в больших объемах, подобрать и испытать подходящие конструкционные материалы, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать импульсные системы питания, способные создавать мощные пучки частиц, разработать методы высокочастотного нагрева смеси и многое другое.
...
Из-за наличия кулоновского отталкивания между ядрами, сечения реакций при низкой энергии частиц ничтожно малы, и, поэтому, при обычной температуре смесь изотопов водорода и других легких атомов, практически, не реагирует. Для того, чтобы реакция имела заметное сечение, сталкивающимся частицам нужно иметь большую кинетическую энергию. Тогда частицы смогут преодолеть кулоновский барьер, сблизиться на расстояние порядка ядерных и прореагировать. Например, максимальное сечение для реакции дейтерия с тритием достигается при энергии частиц около 80 КэВ, а для того, чтобы DT смесь иметь большую скорость реакций, ее температура должна быть масштаба ста миллионов градусов, Т = 108 К.
...
При высокой температуре, характерной для реагирующей смеси, смесь находится в состоянии плазмы, т.е. состоит из свободных электронов и положительно заряженных ионов, которые взаимодействуют друг с другом за счет коллективных электромагнитных полей.
...
Кроме высокой температуры смеси, для положительного выхода реакций нужно, чтобы горячая смесь просуществовала достаточно долго и реакции успели произойти.
...
Все изобретенные за 50 лет устройства можно разделить на два больших класса: 1) стационарные или квазистационарные системы, основанные на магнитном удержании горячей плазмы; 2) импульсные системы. В первом случае, плотность плазмы невелика и критерий Лоусона достигается за счет хорошего удержания энергии в системе, т.е. большого энергетического времени жизни плазмы. Поэтому, системы с магнитным удержанием имеют характерный размер плазмы порядка нескольких метров и относительно низкую плотность плазмы, n ~ 1020 м-3 (это примерно в 105 раз ниже, чем плотность атомов при нормальном давлении и комнатной температуре).
В импульсных системах критерий Лоусона достигается за счет сжатия термоядерных мишеней лазерным или рентгеновским излучением и создания смеси с очень высокой плотностью. Время жизни в импульсных системах мало и определяется свободным разлетом мишени. Основная физическая задача, в этом направлении управляемого термоядерного синтеза, заключается в снижении полной энергии взрыва до уровня, который позволит сделать практический термоядерный реактор.
...
Термоядерный реактор будет потреблять очень небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрической мощностью 1 ГВт будет сжигать около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год.
...
Таким образом, будущие термоядерные реакторы имеют достаточные запасы топлива для обеспечения потребностей человечества в энергии в течении многих сотен лет, а в случае некоторых реакций и многих десятков тысяч лет. Термоядерная энергетика будет потреблять очень небольшое количество исходных материалов и не потребует развития широкомасштабного производства топлив. Сам топливный цикл будет использовать лишь малую часть производимой энергии и соответственно топливная составляющая в цене электроэнергии будет незначительна. Как исходные составляющие рабочей смеси, так и конечные продукты реакций не являются радиоактивными веществами и не требуют долговременного хранения. Эти обстоятельства выгодно отличают термоядерную энергетику как от обычных ядерных реакторов деления, так и электростанций, сжигающих органические топлива. Основная проблема осуществления управляемого термоядерного синтеза заключается в создании практичного устройства, способного обеспечить выполнения условия Лоусона при достаточно высокой температуре смеси.
...
За прошедшие годы напряженных термоядерных исследований было изобретено и проверено в эксперименте большое количество различных устройств для удержания горячей плазмы. Некоторые системы показали себя неработоспособными с самых первых экспериментов. Многие из систем потребовали многих лет исследований прежде, чем стало ясно, что они проигрывают своим более успешным конкурентам. Среди "выживших" систем для магнитного удержания плазмы, в настоящее время, лидируют ТОКАМАКи и СТЕЛЛАРАТОРы.
Слово "ТОКАМАК" - это сокращение слов ТОроидальная, КАмера, МАгнитные Катушки, которые описывают основные элементы этой магнитной ловушки, изобретенной А.Д. Сахаровым в 1950 г. Схема ТОКАМАКа показана на рисунке:
...
В 1998 г был закончен инженерный проект ТОКАМАКа-реактора ИТЭР [40]. Работы проводились совместными усилиями четырех сторон: Европы, России, США и Японии с целью создания первого экспериментального ТОКАМАКа-реактора, рассчитанного на достижение термоядерного горения смеси дейтерия с тритием. Основные физические и инженерные параметры установки приведены в Таблице 3, а его сечение показано на рисунке:
...
ИТЭР планируется построить в 2010-2011 г. Экспериментальная программа, которая будет продолжаться на этом экспериментальном реакторе около двадцати лет, позволит получить плазменно-физические и ядерно-технологические данные, необходимые для строительства в 2030-2035 г первого демонстрационного реактора-ТОКАМАКа, который уже будет производить электроэнергию. Основная задача ИТЭРа будет заключаться в демонстрации практичности реактора-ТОКАМАКа для производства электроэнергии.
Наряду с ТОКАМАКами, которые в настоящее время являются наиболее продвинутой системой для осуществления управляемого термоядерного синтеза, существуют другие магнитные ловушки, успешно конкурирующие с ТОКАМАКом.
СТЕЛЛАРАТОР, как и ТОКАМАК - это магнитная ловушка с замкнутыми магнитными поверхностями, но, в отличие от ТОКАМАКа, полоидальное магнитное поле, образующее магнитные поверхности, создается в СТЕЛЛАРАТОРе с помощью внешних витков, а не током, протекающим по плазме. Эта магнитная ловушка была изобретена в Принстонской лаборатории в США Л. Спитцером. Там же были построены и первые экспериментальные СТЕЛЛАРАТОРы.
СТЕЛЛАРАТОР имеет большое преимущество перед ТОКАМАКом - это стационарная машина, которая не требует сложных методов поддержания плазменного тока для ее стационарной работы. В то же время, в отличии от ТОКАМАКа, СТЕЛЛАРАТОР это принципиально аксиально-несимметричная ловушка с магнитной осью представляющей собой трехмерную кривую и переменным, в тороидальном направлении, сечением плазмы. Схема СТЕЛЛАРАТОРа показана на рисунке:
...
СТЕЛЛАРАТОРная программа проводится довольно активно, и СТЕЛЛАРАТОРы сейчас существуют во многих странах, включая Японию, Германию и Россию.
...
В отличие от магнитного термоядерного реактора, где требуется высокий вакуум и чистота плазмы, к камере импульсного реактора такие требования не предъявляются. Основные технологические трудности создания импульсных реакторов лежат в области драйверной техники, создании прецизионных мишеней и систем позволяющих подавать и контролировать положение мишени в камере. Сама камера импульсного реактора имеет относительно простую конструкцию...
Требуемая точность подачи мишени составляет доли миллиметров. Очевидно, что пассивная подача мишени на расстояние в несколько метров с такой точностью в камере, в которой будет происходить турбулентные потоки газа, вызванные взрывами предшествующих мишеней, представляет собой практически невыполнимую задачу. Поэтому, в реакторе потребуется система управления, позволяющая отслеживать положение мишени и производить динамическую фокусировку пучка. В принципе, такая задача выполнима, но может существенно усложнить управление реактором.
О практической реализации
Работы по созданию термоядерного реактора были начаты еще в 1950-х годах, после того как советские ученые изобрели водородную бомбу. Идею производства энергии из водорода подсказало Солнце, где постоянно идет термоядерный синтез: из тяжелого изотопа водорода дейтерия образуется гелий, причем выделяется огромное количество энергии. В земных установках в качестве топлива для термоядерных реакторов помимо дейтерия, который можно получить из воды, ученые предлагают использовать еще и тритий. Он вырабатывается при эксплуатации АЭС и пока считается отходом производства.Работы по созданию термоядерных реакторов параллельно велись учеными в ряде развитых стран, в том числе СССР и США. Но практический интерес к этим научным разработкам появился лишь в начале 90-х. После войны в Персидском заливе, спровоцировавшей взлет цен на нефть, Европа, США и Россия решили объединить свои усилия по созданию реактора в рамках международной программы ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor - международный термоядерный экспериментальный реактор). Позже к проекту ИТЭР присоединились Япония, Китай, Канада и Южная Корея.
К концу 1990-х был готов технический проект. В его основу легло устройство токамак, разработанное советскими учеными еще в 1950-х годах. Осталось только выбрать место, где будет построен
экспериментальный реактор. Свои площадки предложили Канада, Япония, Франция и Испания. За право реализовать проект ИТЭР на своей территории боролась и Россия - предлагалась площадка под Санкт-Петербургом. Однако большинство претендентов отсеялось. Дело в том, что государство, на чьей территории будет строиться реактор, должно оплатить примерно половину его стоимости, а проект на сегодня оценивается в 6 млрд. долларов.
В итоге осталось два государства, спорящие за право строить на своей территории реактор, - Япония и Франция. Японию поддержали США и Южная Корея, а Китай и Россия считали более рациональным предложение Евросоюза. Главным аргументом здесь было то, что во французском Кадараше под Марселем уже есть ядерный центр, где построен экспериментальный токамак - прототип ИТЭР. Представители ЕС неоднократно заявляли, что если Япония будет настаивать на своем, то часть участников консорциума приступят к сепаратному строительству ИТЭР. Япония в ответ также грозилась выйти из проекта.
Столь жесткая борьба была вполне оправданна. Хотя ИТЭР - международный проект, страна, которая будет обладать такой установкой, получит огромные дивиденды в будущем. По мнению ученых, по мере истощения традиционных источников энергии термоядерные установки будут играть все более значимую роль.
Споры шли несколько лет и грозили остановить реализацию проекта. И вот в среду японская газета "Иомиури" со ссылкой на свои правительственные источники сообщила, что Япония готова уступить Франции право предоставить площадку для ИТЭР. Взамен Токио рассчитывает на увеличение доли строительных подрядов и более широкое привлечение к работе на реакторе научного персонала из стран - участников проекта. Переговоры планируется завершить в течение месяца. Эту информацию подтвердил президент Франции Жак Ширак, который в эфире французского телевидения заявил, что реактор будет построен в Кадараше. По словам Ширака, общая стоимость проекта ИТЭР составит 10 млрд. евро (почти 13 млрд. долларов), включая 4,7 млрд. евро (около 6 млрд. долларов) на строительство самого реактора.
Окончание споров вокруг площадки означает, что проект наконец-то вступает в стадию реализации. По словам Ширака, это займет 30 лет. Если работа ИТЭР будет успешной, то на его основе можно будет строить электростанцию, позволяющую получать энергию будущего - фактически из воды.
Физики решили одну из проблем ядерного синтеза
(из http://www.membrana.ru/lenta/?5915)Нестабильное состояние плазмы на её внешних границах (так называемые потоки edge localised modes — ELM), в токамаках — реакторах ядерного синтеза — это одна из главных проблем, препятствующих таким устройствам превратиться в рентабельные источники энергии. Теперь исследователи под руководством Тодда Эванса (Todd Evans) из американской компании решили эту проблему.
Огромные камеры в форме пончика, в которых при помощи системы магнитных полей удерживается горячая плазма, в будущем могут стать основой энергетических реакторов ядерного синтеза. Пока же на работу таких экспериментальных машин уходит больше энергии, чем её получается в результате синтеза ядер.
Огромным шагом на пути к электростанциям ядерного синтеза должен стать крупнейший в мире токамак — , сейчас во Франции совместными усилиями Евросоюза, Индии, Китая, Южной Кореи, России, США и Японии.
Этот термоядерный реактор, пусть ещё не промышленный, а экспериментальный, должен впервые продемонстрировать работоспособность и оправданность технологии. Если удастся решить ряд технических проблем. ELM — одна из них.
Такие потоки, несмотря на ограждающее магнитное поле, вызывают ускоренную эрозию стенок реактора, из-за чего их придётся довольно часто менять. А это — колоссальные расходы, ставящие под сомнение дешевизну энергии синтеза. К тому же, материал со стенок загрязняет плазму, снижая эффективность реактора.
Новая работа, выполненная в General Atomics, показывает путь решения проблемы: оказывается, дополнительное маленькое резонансное магнитное поле, вырабатываемое специальными катушками, расположенными в реакторе, создаёт "хаотическое" вмешательство на краю плазмы, которое мешает формироваться потокам, способным разрушать стенки.
Узнайте также о других необычных идеях и проектах в области как энергетики, так и обычной — .