Чи можливий керований термоядерний синтез за умов Землі? Керований термоядерний синтез: все ще «за горами Керований синтез

Фізика, хоч і є як би наукою про навколишній світ, все ж таки досить далека від буденності, тобто вона далека від інтересів звичайних людей. У фізиці концентруються незвичайні люди. Якщо подивитися біографії «великих фізиків», повністю занурених у проблеми космосу, то можна бачити, що деякі з них були клієнтами психіатрів, інші цього уникли, хоча мали дива в поведінці. Втім, ці «великі фізики» здебільшого теоретики, космологи, математики, загальне їх визначення. Є в численному співтоваристві фізиків і цілком розумово нормальні люди, але це нероби, любителі «солодкого життя», які пристосувалися «пилити» казенні гроші, обіцяючи державі різні блага «вирвані ними у природи» за допомогою впливу на неї різними маревними теоріями, раніше виробленими «британськими вченими».
Є багато напрямів діяльності цих фізиків тупикових у фізичному значенні, але благодатних у значенні грошовому. Один із таких напрямків діяльності «пильників» бюджету — створення термоядерного реактора.
Звичайно, починалася історія створення термоядерних реакторів у формі цілком наукових проектів.
У 1949 році було випробувано радянську атомну бомбу, копію американської. Але радянські стратеги хотіли щось ще сильніше і страшніше для ворогів.
Теоретики ще на початку XX століття вирішили, що найефективніше джерело енергії це термоядерні реакції, які, на їхню думку, забезпечують енергетику зірок, у тому числі і Сонця. . Термоядерні реакції йдуть лише у спалахах на Сонці, під час вибухів Нових та Наднових зірок.
Сахаров вірив у термоядерний синтез і працював над тим, що він буде термоядерною бомбою. Реально він створив потужнішу атомну бомбу, за рахунок додавання до її складу тритію та дейтериду літію-6…
Термоядерного синтезу не вдалося, але потужність вибуху бомби Сахарова влаштувала і військових стратегів і фізиків. Бомба була оголошена водневою, а як міф почала поширюватися версія, що вона була термоядерною. Секрет! Хто перевірить!
У можливість некерованого термоядерного синтезу на Землі повірили багато фізиків, тому ідея отримання енергії вже за допомогою керованої термоядерної реакції набула розголосу в пресі та фінансової підтримки.
Сахаров вирішив, що можна в міцному підземному бункері підривати невеликі водневі бомби, а тепло, що виділяється, утилізувати. Його, зрозуміло, не цікавило те, що одержання тритію енергетично й економічно не окупить енергію, що отримується в такий спосіб.
У цей час якийсь сержант Олег Лаврентьев у листі Сталіну запропонував утримувати плазму всередині камери електростатично. Берія обговорив листа Лаврентьєва з Таммом і Сахаровим, які заявили, що краще використовувати для утримання плазми магнітне поле.
Курчатов доручив очолити роботи з керованого термоядерного синтезу Арцимовичу.

Арцимович виявив, що відомо всім, хто будь-коли бачив блискавку, тобто, він виявив, що потужні розряди струму в дейтерії створюють тонкий шнур. Шнур пульсував, стискаючись і розтискаючись… На шнурі, позначеному як би за науковим, пінче, при другій хвилі струму з'являлися вузли, вони й були джерелами нейтронів. () Випромінювалися також потужні рентгенівські промені.

Далі йде історія токамаків. З п'ятдесятих років XX століття до початку III тисячоліття їх було зроблено майже три десятки. Розміри їх, природно, і вартість, збільшувалися в надії, що черговий токамак нарешті видасть не тільки нейтрони, а й гелій, тобто термоядерний синтез нарешті здійсниться... Але марно. Гелій ніколи не виявлявся в описаних експериментах, тобто термоядерної реакції не було, так і немає.

Якщо до 1961 року експерименти з токамаками все ж таки можна вважати науковими, то пізніші «експерименти» це чистий «розпил» бюджету.
1961 року академік Б.П. Костянтинов заявив Арцимовичу у звернення «Чому термоядерну електростанцію не буде побудовано ні 1980-го, ні 2000 року», що його діяльність не лише марна, а й шкідлива.
Константинов пояснив, що реакція дейтерію з дейтерієм не може бути замінена на реакцію дейтерію з тритієм. Тритію немає в природі, його потрібно попередньо напрацювати в ядерних реакторах. При реакції дейтерію з тритієм швидкі нейтрони швидко забирають енергію, руйнуючи все на своєму шляху, ніякі камери цього не витримають, швидко будуть зруйновані, і плазма, яку не вдається зробити стійкою, прорве стінки та забруднить навколишнє середовище, насамперед сотнями кілограмів радіоактивного тритію

Звісно, ​​Константинова та йому подібних, слухати ніхто не став. Навколо «термоядерного синтезу» сформувалася величезна міжнародна мафія «пилильщиків бюджетів», вони будували, будують, і будуватимуть свої нікчемні «термоядерні реактори». Зупинити їх, теоретично, можуть законодавці, але законодавці щось можуть зробити, і те теоретично лише у своїх країнах, а наукова мафія міжнародна. Але навіть в окремих країнах політики приходять у владу тільки для того, щоб нажитися, тому мафія їх легко купує і просвіту в цьому, втім, як і в багатьох інших напрямках «наукової» діяльності не видно.

Post Views: 1 751

Керований термоядерний синтез - найцікавіший фізичний процес, Який (поки що в теорії) може позбавити світ від енергетичної залежності від викопних джерел палива. В основі процесу лежить синтез атомних ядер з легших у важчі з виділенням енергії. На відміну від іншого використання атома - виділення з нього енергії в ядерних реакторах у процесі розпаду - термоядерний синтез на папері практично не залишатиме радіоактивних побічних продуктів.

Реактори термоядерного синтезу імітують ядерний процес усередині Сонця, зіштовхуючи легші атоми разом і перетворюючи їх на більш важкі, і виділяючи величезну кількість енергії на шляху. На Сонці цей процес приводиться у дію силою гравітації. На Землі інженери намагаються відтворити умови термоядерного синтезу за допомогою надзвичайно високих температур – близько 150 мільйонів градусів – але їм важко утримувати плазму, необхідну для синтезу атомів.

Одне з побудованих рішень представлене ІТЕР, раніше відомим як Міжнародний термоядерний експериментальний реактор, який будується з 2010 року у Карадаші, Франція. Перші експерименти, спочатку заплановані на 2018 рік, було перенесено на 2025 рік.

Буквально кілька днів тому ми повідомляли, що у Росії буде створено перший

Термоядерна реакція- це реакція синтезу легких ядер на більш тяжкі.

Для її здійснення необхідно, щоб вихідні нуклони або легкі ядра зблизилися до відстаней, рівних або менших за радіус сфери дії ядерних сил тяжіння (тобто до відстаней 10 -15 м). Такому взаємному зближенню ядер перешкоджають кулонівські сили відштовхування, які діють між позитивно зарядженими ядрами. Для виникнення реакції синтезу необхідно нагріти речовину великої щільності до надвисоких температур (близько сотень мільйонів Кельвін), щоб кінетична енергія теплового руху ядер виявилася достатньою для подолання кулонівських сил відштовхування. За таких температур речовина існує у вигляді плазми. Оскільки синтез може відбуватися тільки за дуже високих температур, ядерні реакції синтезу і отримали назву термоядерних реакцій (від грец. therme"тепло, жар").

У термоядерних реакціях виділяється величезна енергія. Наприклад, у реакції синтезу дейтерію з утворенням гелію

\(~^2_1D + \ ^2_1D \to \ ^3_2He + \ ^1_0n\)

виділяється 3,2 МеВ енергії. В реакції синтезу дейтерію з утворенням тритію

\(~^2_1D + \ ^2_1D \to \ ^3_1T + \ ^1_1p\)

виділяється 4,0 МеВ енергії, а реакції

\(~^2_1D + \ ^3_1T \to \ ^4_2He + \ ^1_0n\)

виділяється 17,6 МеВ енергії.

Мал. 1. Схема реакції дейтерій-тритій

В даний час контрольована термоядерна реакція здійснюється шляхом синтезу дейтерію \(~^2H\) і тритію \(~^3H\). Запасів дейтерію має вистачити на мільйони років, а запаси літію, що легко видобувається (для отримання тритію), цілком достатні для забезпечення потреб протягом сотень років.

Однак при цій реакції більша частина (понад 80%) кінетичної енергії, що виділяється, припадає саме на нейтрон. В результаті зіткнень уламків з іншими атомами ця енергія перетворюється на теплову. Крім цього, швидкі нейтрони створюють значну кількість радіоактивних відходів.

Тому найперспективніші «безнейтронні» реакції, наприклад, дейтерій + гелій-3.

\(~D + \ ^3He \to \ ^4He + p\)

У цій реакції відсутня нейтронний вихід, який забирає значну частину потужності і породжує наведену радіоактивність конструкції реактора. Крім того, запаси гелію-3 на Землі складають від 500 кг до 1 тонни, проте на Місяці він перебуває у значній кількості: до 10 млн. тонн (за мінімальними оцінками – 500 тисяч тонн). У той самий час його можна легко отримувати і Землі з широко поширеного у природі літію-6 на існуючих ядерних реакторах поділу.

Термоядерна зброя

На Землі першу термоядерну реакцію було здійснено під час вибуху водневої бомби 12 серпня 1953 року на Семипалатинському полігоні. "Її батьком" став академік Андрій Дмитрович Сахаров, тричі удостоєний звання Героя Соціалістичної Праціза розробку термоядерної зброї. Високу температуру, необхідну для початку термоядерної реакції, у водневій бомбі отримували в результаті вибуху атомної бомби, що входить до її складу, що грає роль детонатора. Термоядерні реакції, які відбуваються під час вибухів водневих бомб, є некерованими.

Мал. 2. Воднева бомба

Див. також

Керовані термоядерні реакції

Якби в земних умовах була можливість здійснювати легко керовані термоядерні реакції, людство отримало б практично невичерпне джерело енергії, оскільки запаси водню Землі величезні. Однак на шляху здійснення енергетично вигідних керованих термоядерних реакцій стоять великі технічні труднощі. Насамперед необхідно створювати температури близько 10 8 К. Такі надвисокі температури можуть бути отримані шляхом створення в плазмі електричних розрядів великої потужності.

Токамак

Цей метод використовують в установках типу "Токамак" (Торіодальна камера з Магнітними котушками), вперше створених в Інституті атомної енергії ім. І. В. Курчатова. У таких установках плазму створюють у тороїдальній камері, що є вторинною обмоткою потужного імпульсного трансформатора. Його первинна обмотка підключена до батареї конденсаторів великої ємності. Камеру заповнюють дейтерієм. При розряді батареї конденсаторів через первинну обмотку в тороїдальній камері збуджується вихрове електричне поле, що викликає іонізацію дейтерію і поява в ньому потужного імпульсу електричного струмущо призводить до сильного нагрівання газу та утворення високотемпературної плазми, в якій може виникнути термоядерна реакція.

Мал. 3. Принципова схема роботи реактора

Головна труднощі полягає в тому, щоб утримати плазму всередині камери протягом 0,1-1 без її контакту зі стінками камери, оскільки не існує матеріалів, здатних витримувати настільки високі температури. Цю складність вдається частково подолати за допомогою тороїдального магнітного поля, в якому знаходиться камера. Під впливом магнітних сил плазма скручується в шнур і як би "висить" на лініях індукції магнітного поля, не торкаючись стін камери.

Початком сучасної епохи у вивченні можливостей термоядерного синтезу слід вважати 1969, коли на російській установці Токамак Т3 в плазмі об'ємом близько 1 м 3 була досягнута температура 3 M°C. Після цього вчені у всьому світі визнали конструкцію токамака найперспективнішою для магнітного утримання плазми. Вже за кілька років було прийнято сміливе рішення про створення установки JET (Joint European Torus) із значно більшим обсягом плазми (100 м 3 ). Робочий цикл установки становить приблизно 1 хвилину, так як її тороїдальні котушки виготовлені з міді та швидко нагріваються. Ця установка почала працювати в 1983 році і залишається поки що найбільшим у світі токамаком, що забезпечує нагрівання плазми до температури 150 M°C.

Мал. 4. Конструкція реактора JET

У 2006 році представники Росії, Південної Кореї, Китаю, Японії, Індії, Євросоюзу та США підписали в Парижі угоду про початок робіт з будівництва першого Міжнародного термоядерного експериментального реактора (International Tokamak Experimental Reactor - ITER). Магнітні котушки реактора ITER будуть створені на основі надпровідних матеріалів (що, в принципі, дозволяє працювати безперервно за умови підтримки струму в плазмі), тому проектувальники сподіваються забезпечити гарантований робочий цикл тривалістю не менше 10 хвилин.

Мал. 5. Конструкція реактора ITER.

Реактор буде побудований в районі міста Кадараш (Cadarache), розташованого за 60 кілометрів від Марселя на півдні Франції. Роботи з підготовки будмайданчика розпочнуться навесні наступного року. Зведення самого реактора планується розпочати у 2009 році.

Будівництво триватиме десять років, роботи на реакторі планується проводити протягом двадцяти років. Загальна вартість проекту становить приблизно 10 мільярдів доларів. Сорок відсотків видатків нестиме Євросоюз, шістдесят відсотків припадуть у рівних частках на решту учасників проекту.

Див. також

  1. Міжнародний експериментальний термоядерний реактор
  2. Нова установка для запуску термоядерного синтезу: 25.01.2010

Лазерний термоядерний синтез (УЛЗ)

Іншим шляхом досягнення цієї мети є лазерний термоядерний синтез. Сутність такого методу полягає у наступному. Заморожену суміш дейтерію і тритію, приготовлену у вигляді куль діаметром менше 1 мм, рівномірно опромінюють з усіх боків потужним лазерним випромінюванням. Це призводить до нагрівання та випаровування речовини з поверхні кульок. При цьому тиск усередині кульок зростає до величин близько 1015 Па. Під дією такого тиску відбувається збільшення щільності та сильне нагрівання речовини в центральній частині кульок і починається термоядерна реакція.

На відміну від магнітного утримання плазми, лазерний час утримання (тобто час існування плазми з високою щільністю і температурою, що визначає тривалість термоядерних реакцій) становить 10 -10 - 10 -11 с, тому ЛТС може здійснюватися тільки в імпульсному режимі. Пропозиція використати лазери для термоядерного синтезу вперше була висловлена ​​у Фізичному інституті ім. П. М. Лебедєва АН СРСР 1961 М. Р. Басовим і О. М. Крохіним.

У Ліверморській національній лабораторії імені Лоуренса в Каліфорнії закінчено (травень 2009) будівництво найпотужнішого у світі лазерного комплексу. Він отримав назву "Національна запальна установка" (US National Ignition Facility, NIF). Будівництво тривало 12 років. На лазерний комплекс було витрачено 3,5 млрд. дол.

Мал. 7. Принципова схема УЛЗ

В основі NIF – 192 потужні лазери, які одночасно прямуватимуть на міліметрову сферичну мішень (близько 150 мікрограмів термоядерного палива – суміш дейтерію та тритію; надалі радіоактивний тритій можна буде замінити легким ізотопом гелію-3). Температура мішені досягне в результаті 100 млн. градусів, при цьому тиск усередині кульки у 100 млрд. разів перевищить тиск земної атмосфери.

Див. також

  1. Керований термоядерний синтез: ТОКАМАКИ проти лазерної термояди 16.05.2009

Переваги синтезу

Прихильники використання термоядерних реакторів для виробництва електроенергії наводять такі аргументи на їхню користь:

  • практично невичерпні запаси палива (водень). Наприклад, кількість вугілля, необхідного для забезпечення роботи теплової електростанції потужністю 1 ГВт становить 10000 тонн на день (десять залізничних вагонів), а термоядерна установка такої ж потужності споживатиме на день лише близько 1 кілограма суміші D + T . Озеро середнього розміру може забезпечити будь-яку країну енергією на сотні років. Це унеможливлює монополізацію пального однією або групою країн;
  • відсутність продуктів згоряння;
  • немає необхідності використовувати матеріали, які можуть бути використані для виробництва ядерної зброї, таким чином виключаються випадки саботажу та тероризму;
  • порівняно з ядерними реакторами виробляється незначна кількість радіоактивних відходів з коротким періодом напіврозпаду;
  • реакція синтезу не виробляє атмосферних викидів вуглекислоти, що є основним внеском у глобальне потепління.

Чому створення термоядерних установок таке затягнулося?

1. Довгий час вважалося, що проблема практичного використання енергії термоядерного синтезу не вимагає термінових рішень і дій, оскільки ще у 80-х роках минулого століття джерела викопного палива здавалися невичерпними, а проблеми екології та зміни клімату не хвилювали громадськість. На підставі оцінок Геологічної служби США (2009) зростання світового видобутку нафти триватиме не більше 20 найближчих років (інші фахівці передбачають, що пік видобутку буде досягнуто вже через 5–10 років), після чого обсяг нафти, що видобувається, почне зменшуватися зі швидкістю близько 3 %. на рік. Перспективи видобутку природного газу виглядають набагато краще. Зазвичай кажуть, що кам'яного вугілля нам вистачить ще на 200 років, але цей прогноз ґрунтується на збереженні існуючого рівня видобутку та витрати. Тим часом споживання вугілля зараз зростає на 4,5 % на рік, що відразу скорочує згаданий період у 200 років лише до 50 років! Зі сказаного ясно, що вже зараз ми повинні готуватися до закінчення епохи використання викопних типів пального. 2. Термоядерну установку не можна створити та продемонструвати в малих розмірах. Науково-технічні можливості та переваги термоядерних установок можуть бути перевірені та продемонстровані лише на достатньо великих станціях, типу згадуваного реактора ITER Суспільство просто не було готове до фінансування таких великих проектів, доки не було достатньої впевненості в успіху.

«Ми сказали, що помістимо Сонце у коробку. Ідея чудова. Але проблема в тому, що ми не знаємо, як створити цю коробку» - П'єр Жіль де Жен, лауреат нобелівської преміїз фізики 1991 року.

У той час, як важких елементів, потрібних для ядерних реакцій Землі й у цілому космосі досить мало, легких елементів для термоядерних реакцій дуже багато як у Землі, і у космосі. Тому ідея використати термоядерну енергію на благо людства прийшла практично відразу з розумінням процесів, що лежать в її основі - це обіцяло воістину безмежні можливості, оскільки запасів термоядерного палива на Землі мало вистачити на десятки тисяч років уперед.

Вже в 1951 році з'явилися два основних напрямки розвитку термоядерних реакторів: Андрієм Сахаровим та Ігорем Таммом була розроблена архітектура токамака в якому робоча камера являла собою тор, в той час як Лайманом Спітцером була запропонована архітектура більш хитромудрої конструкції за формою, що найбільше нагадує лист Мебіуса, перегорнутий. не один, а кілька разів.

Простота принципової конструкції токамака дозволила тривалий час розвивати цей напрямок за рахунок підвищення характеристик звичайних та надпровідних магнітів, а також шляхом поступового збільшення розмірів реактора. Але з підвищенням параметрів плазми поступово стали виявлятися і проблеми з її нестабільною поведінкою, які гальмували процес.

Складність конструкції стелатора взагалі призвела до того що після перших експериментів у 50-х роках розвиток цього напряму на довгий час зупинився. Новий подих він отримав зовсім недавно з появою сучасних системавтоматизованого проектування, що дозволило спроектувати стелатор Wendelstein 7-X з необхідними для його роботи параметрами та точністю конструкції.

Фізика процесу та проблеми у його реалізації

Атоми заліза мають максимальну енергію зв'язку на нуклон – тобто показник енергії, яку потрібно витратити, щоб розділити атом на його складові нейтрони та протони, поділений на їх загальну кількість. Всі атоми з меншою та більшою масою мають цей показник нижче заліза:

При цьому в термоядерних реакціях злиття легких атомів аж до заліза виділяється енергія, а маса атома, що утворюється, стає злегка менше суми мас вихідних атомів на величину, що співвідноситься з виділяється енергією за формулою E = mc² (так званий дефект маси). Так само виділяється енергія при ядерних реакціях поділу атомів важче заліза.

При реакціях злиття атомів виділяється величезна енергія, але щоб отримати цю енергію нам спочатку необхідно докласти певне зусилля подолання сил відштовхування між атомними ядрами які є позитивно зарядженими (подолати кулоновський бар'єр). Після того, як нам вдалося зблизити пару атомів на необхідну відстань в дію, вступає сильна ядерна взаємодія, яка пов'язує нейтрони і протони. Для кожного виду палива кулоновський бар'єр для початку реакції відрізняється також, як і відрізняється оптимальна температура реакції:

При цьому перші термоядерні реакції атомів починають фіксуватися задовго до досягнення середньої температури речовини цього бар'єру завдяки тому, що кінетична енергія атомів схильна до розподілу Максвелла:

Але реакція при відносно низькій температурі (близько кількох млн °C) йде дуже повільно. Так скажімо в центрі температура сягає 14 млн °C, але питома потужність термоядерної реакції в таких умовах становить лише 276,5 Вт/м³, а для повного витрачання свого палива Сонцю потрібно кілька млрд років. Такі умови є неприйнятними для термоядерного реактора, оскільки за такого низького рівня виділення енергії ми неминуче витрачатимемо на нагрівання і стиснення термоядерного палива більше, ніж отримуватимемо від реакції натомість.

У міру зростання температури палива все більша частка атомів починає мати енергію, що перевищує кулоновський бар'єр і ефективність реакції зростає, досягаючи свого піку. З подальшим підвищенням температури швидкість реакції знову починає падати вже за рахунок того, що кінетична енергія атомів стає занадто великою і вони «проскакують» повз один одного не в змозі втриматися сильною ядерною взаємодією.

Таким чином рішення як отримати енергію з керованої термоядерної реакції було отримано досить швидко, але реалізація цього завдання затягнулася на півстоліття і так ще до кінця і не закінчена. Причина цього криється в шалених умовах, в які виявилося необхідно помістити термоядерне паливо – для позитивного виходу від реакції його температура мала становити кілька десятків млн °C.

Таку температуру фізично не могли витримати жодні стінки, але ця проблема майже відразу призвела і до її вирішення: оскільки розігріта до таких температур речовина є гарячою плазмою (цілком іонізованим газом) яка заряджена позитивно, то рішення виявилося лежачим на поверхні – нам просто треба було помістити таку розігріту плазму в сильне магнітне поле, яке утримуватиме термоядерне паливо на безпечній відстані від стінок.

Прогрес на шляху його реалізації

Дослідження з цієї теми йдуть у кількох напрямах одночасно:

  1. за допомогою використання надпровідних магнітів вчені намагаються скоротити енергію, що витрачається на запалення та підтримку реакції;
  2. за допомогою нових поколінь надпровідників підвищується індукція магнітного поля всередині реактора, яка дозволяє утримувати плазму з більш високими показникамищільності та температури, що збільшує питому потужність реакторів на одиницю їх обсягу;
  3. дослідження в галузі гарячої плазми та успіхи у сфері обчислювальної техніки дозволяють краще контролювати потоки плазми, тим самим наближаючи термоядерні реактори до їх теоретичних меж ефективності;
  4. прогрес у попередній ділянці також дозволяє довше утримувати плазму в стабільному стані, що збільшує ефективність реактора за рахунок того, що нам не треба так часто розігрівати плазму знову.

Незважаючи на всі труднощі та проблеми, що лежали на шляху до керованої термоядерної реакції, ця історія вже наближається до свого фіналу. В енергетиці прийнято використовувати показник EROEI – energy return on energy investment (співвідношення витраченої енергії при виробництві палива до обсягу енергії, який ми з нього отримуємо в результаті) для розрахунку ефективності палива. І в той час як EROEI вугілля продовжує зростати, то цей показник у нафти і газу досяг свого піку в середині минулого століття і тепер неухильно падає за рахунок того, що нові родовища цих палив перебувають у все більш важкодоступних місцях і на великих глибинах:

При цьому нарощувати виробництво вугілля ми також не можемо тому, що отримання енергії з нього є дуже брудним процесом і буквально забирає життя людей прямо зараз від різних захворювань легень. Так чи інакше ми зараз стоїмо на порозі заходу ери копалин палив - і це не підступи екологів, а банальні економічні розрахунки при погляді в майбутнє. При цьому EROI у експериментальних термоядерних реакторів, що з'явилися також у середині минулого століття, неухильно зростали і в 2007 році досягли психологічного бар'єру в одиницю - тобто цього року людству вперше вдалося отримати за допомогою термоядерної реакції більше енергії, ніж витратити на її здійснення. І незважаючи на те, що на реалізацію реактора, експерименти з ним і виробництво вже першої демонстраційної термоядерної електростанції DEMO на основі отриманого при реалізації ITER досвіду знадобиться ще багато часу. Вже немає жодних сумнівів у тому, що за такими реакторами знаходиться наше майбутнє.

Критика досліджень

Основна критика досліджень у галузі термоядерних реакторів полягає в тому, що дослідження йдуть вкрай повільно. І це правда – від перших експериментів до виробництва беззбиткової термоядерної реакції нам знадобилося 66 років. Але суть проблеми тут полягає в тому, що фінансування таких досліджень ніколи не досягало необхідного рівня – ось приклад оцінок Адміністрації енергетичних досліджень та розробок США за рівнем фінансування проекту будівництва термоядерного реактора та часу його завершення:

Як видно з цього графіку – дивно не те, що ми досі не маємо комерційних термоядерних реакторів, що виробляють електроенергію, а те, що ми взагалі змогли досягти якогось позитивного виходу енергії з експериментальних реакторів на даний момент.

Вперше завдання щодо керованого термоядерного синтезу в Радянському Союзі сформулював та запропонував для неї деяке конструктивне рішення радянський фізик Лаврентьєв О. А. . Крім нього важливий внесок у вирішення проблеми зробили такі видатні фізики, як А. Д. Сахаров та І. Є. Тамм, а також Л. А. Арцимович, який очолював радянську програму з керованого термоядерного синтезу з 1951 року.

Історично питання керованого термоядерного синтезу на світовому рівні виникло в середині XX століття. Відомо, що І. В. Курчатов в 1956 висловив пропозицію про співпрацю вчених-атомників різних країну вирішенні цієї наукової проблеми. Це сталося під час відвідин Британського ядерного центру «Харуелл» ( англ.) .

Типи реакцій

Реакція синтезу полягає в наступному: два або більше атомних ядра в результаті застосування деякої сили зближуються настільки, щоб сили, що діють на таких відстанях переважали над силами кулонівського відштовхування між однаково зарядженими ядрами, в результаті чого формується нове ядро ​​. При створенні нового ядра виділиться велика енергія сильної взаємодії. За відомою формулою E=mc² вивільнивши енергію, система нуклонів втратить частину своєї маси. Атомні ядра, що мають невеликий електричний зарядпростіше звести на потрібну відстань, тому важкі ізотопи водню є одними з найкращих видів палива для реакції синтезу.

Встановлено, що суміш двох ізотопів, дейтерію і тритію, вимагає найменше енергії для реакції синтезу в порівнянні з енергією, що виділяється під час реакції. Однак, хоча суміш дейтерію та тритію (D-T) є предметом більшості досліджень синтезу, вона в жодному разі не є єдиним видом потенційного пального. Інші суміші можуть бути простішими у виробництві; їх реакція може надійніше контролюватись, або, що більш важливо, виробляти менше нейтронів. Особливий інтерес викликають так звані «безнейтронні» реакції, оскільки успішне промислове використання такого пального означатиме відсутність довготривалого радіоактивного забруднення матеріалів та конструкції реактора, що, у свою чергу, могло б позитивно вплинути на громадську думку та на загальну вартість експлуатації реактора, суттєво зменшивши витрати на виведення з експлуатації та утилізацію. Проблемою залишається те, що реакцію синтезу з використанням альтернативних видів пального набагато складніше підтримувати, тому D-T реакціявважається лише необхідним першим кроком.

Керований термоядерний синтез може використовувати різні види термоядерних реакцій залежно від виду палива, що застосовується.

Реакція дейтерій + тритій (Паливо D-T)

Найлегше здійснена реакція - дейтерій + тритій:

2 H + 3 H = 4 He + n за енергетичного виходу 17,6 МеВ (мегаелектронвольт).

Така реакція найлегше здійсненна з погляду сучасних технологійдає значний вихід енергії, паливні компоненти дешеві. Недолік - вихід небажаної нейтронної радіації.

Два ядра: дейтерію і тритію зливаються, з утворенням ядра гелію (альфа-частка) і високоенергетичного нейтрону:

Токамак (тороїдальна камера з магнітними котушками) - тороїдальна установка для магнітного утримання плазми. Плазма утримується не стінами камери, які не здатні витримати її температуру, а спеціально створюваним магнітним полем. Особливістю токамака є використання електричного струму, що протікає через плазму для створення тороїдального поля, необхідного для рівноваги плазми.

Реакція дейтерій + гелій-3

Істотно складніше, на межі можливого, здійснити реакцію дейтерій + гелій-3

2 H + 3 He = 4 He + за енергетичного виходу 18,4 МеВ.

Умови її досягнення значно складніші. Гелій-3, крім того, є рідкісним та надзвичайно дорогим ізотопом. У промислових масштабах нині немає. Однак може бути отриманий з тритію, що отримується у свою чергу на атомних електростанціях; або здобутий на Місяці.

Складність проведення термоядерної реакції можна характеризувати потрійним твором nTτ (щільність на температуру на час утримання). За цим параметром реакція D-3 He приблизно у 100 разів складніша, ніж D-T.

Реакція між ядрами дейтерію (D-D, монопаливо)

На додаток до основної реакції у ДД-плазмі також відбуваються:

Ці реакції повільно протікають паралельно з реакцією дейтерій + гелій-3, а тритій і гелій-3, що утворилися в ході них, з великою ймовірністю негайно реагують з дейтерієм.

Інші типи реакцій

Можливі деякі інші типи реакцій. Вибір палива залежить від безлічі факторів - його доступності та дешевизни, енергетичного виходу, легкості досягнення необхідних реакції термоядерного синтезу умов (насамперед, температури), необхідних конструктивних характеристик реактора тощо.

«Безнейтронні» реакції

Найбільш перспективні так звані «безнейтронні» реакції, так як породжуваний термоядерним синтезом нейтронний потік (наприклад, реакції дейтерій-тритій) забирає значну частину потужності і породжує наведену радіоактивність в конструкції реактора. Реакція дейтерій + гелій-3 є перспективною навіть через відсутність нейтронного виходу.

Реакції на легкому водні

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

Однак при цьому більша частина (більше 80%) кінетичної енергії, що виділяється, припадає саме на нейтрон. В результаті зіткнень уламків з іншими атомами ця енергія перетворюється на теплову. Крім цього, швидкі нейтрони створюють значну кількість радіоактивних відходів. На відміну від цього, синтез дейтерію та гелію-3 майже не виробляє радіоактивних продуктів:

D + 3 He → 4 He (3,7 МеВ) + p (14,7 МеВ), де p – протон.

Це дозволяє використовувати більш прості та ефективні системиперетворення кінетичної реакції синтезу, такі як магнітогідродинамічний генератор .

Конструкції реакторів

Існують дві принципові схеми здійснення керованого термоядерного синтезу, розробки яких продовжуються в даний час (2012):

Перший вид термоядерних реакторів набагато краще розроблений та вивчений, ніж другий.

Радіаційна безпека

Термоядерний реактор набагато безпечніший за ядерний реактор у радіаційному відношенні. Насамперед, кількість радіоактивних речовин, що знаходяться в ньому, порівняно невелика. Енергія, яка може виділитися внаслідок будь-якої аварії, теж мала і не може призвести до руйнування реактора. При цьому конструкції реактора є кілька природних бар'єрів, що перешкоджають поширенню радіоактивних речовин. Наприклад, вакуумна камера та оболонка кріостата мають бути герметичними, інакше реактор просто не зможе працювати. Тим не менш, при проектуванні ITER велика увага приділялася радіаційній безпеці як за нормальної експлуатації, так і під час можливих аварій.

Є кілька джерел можливого радіоактивного забруднення:

  • радіоактивний ізотоп водню - тритій;
  • наведена радіоактивність у матеріалах установки в результаті опромінення нейтронами;
  • радіоактивний пил, що утворюється внаслідок дії плазми на першу стінку;
  • радіоактивні продукти корозії, які можуть утворюватися у системі охолодження.

Для того, щоб запобігти розповсюдженню тритію та пилу, якщо вони вийдуть за межі вакуумної камери та кріостату, необхідна спеціальна система вентиляції, яка повинна підтримувати в будівлі реактора знижений тиск. Тому з будівлі не буде витоку повітря, окрім як через фільтри вентиляції.

При будівництві реактора, ITER, наприклад, де тільки можливо, будуть застосовуватися матеріали, вже випробувані в ядерній енергетиці. Завдяки цьому наведена радіоактивність буде порівняно невеликою. Зокрема навіть у разі відмови систем охолодження, природної конвекції буде достатньо для охолодження вакуумної камери та інших елементів конструкції.

Оцінки показують, що навіть у разі аварії радіоактивні викиди не становитимуть небезпеки для населення та не викличуть необхідності евакуації.

Цикл палива

Реактори першого покоління будуть, найімовірніше, працювати на суміші дейтерію та тритію. Нейтрони, які з'являються в процесі реакції, поглинуться захистом реактора, а тепло, що виділяється, буде використовуватися для нагрівання теплоносія в теплообміннику, і ця енергія, у свою чергу, буде використовуватися для обертання генератора.

. .

Реакція синтезу як промислове джерело електроенергії

Енергія синтезу розглядається багатьма дослідниками (зокрема, Крістофером Ллуеллін-Смітом) як «природне» джерело енергії в довгостроковій перспективі. Прихильники комерційного використання термоядерних реакторів для виробництва електроенергії наводять такі аргументи на їхню користь:

Вартість електроенергії порівняно з традиційними джерелами

Критики вказують, що питання про рентабельність ядерного синтезу у виробництві електроенергії в загальних ціляхзалишається відкритим. У тому ж дослідженні, проведеному на замовлення Бюро науки і техніки британського парламенту, зазначається, що собівартість виробництва електроенергії з використанням термоядерного реактора буде, ймовірно, у верхній частині спектра вартості традиційних джерел енергії. Багато залежатиме від доступної в майбутньому технології, структури та регулювання ринку. Вартість електроенергії безпосередньо залежить від ефективності використання, тривалості експлуатації та вартості утилізації реактора.

Окремо стоїть питання вартості досліджень. Країни Євросоюзу витрачають близько 200 млн. євро щорічно на дослідження, і прогнозується, що потрібно ще кілька десятиліть, поки промислове використання ядерного синтезу стане можливим. Прихильники альтернативних неядерних джерел електроенергії вважають, що було б доцільніше спрямувати ці кошти на використання відновлюваних джерел електроенергії.

Доступність комерційної енергії ядерного синтезу

Незважаючи на поширений оптимізм (з початку перших досліджень 1950-х років), суттєвих перешкод між сьогоднішнім розумінням процесів ядерного синтезу, технологічними можливостями та практичним використанням ядерного синтезу досі не подолано. Неясним є навіть те, наскільки можливо рентабельним виробництво електроенергії з використанням термоядерного синтезу. Хоча спостерігається постійний прогрес у дослідженнях, дослідники постійно стикаються з новими проблемами. Наприклад, проблемою є розробка матеріалу, здатного витримати нейтронне бомбардування, яке, як оцінюється, має бути в 100 разів інтенсивніше, ніж у традиційних ядерних реакторах. Тяжкість проблеми посилюється тим, що перетин взаємодії нейтронів з ядрами зі зростанням енергії перестає залежати від кількості протонів і нейтронів і прагне перетину атомного ядра- і для нейтронів енергії 14 МеВ просто немає ізотопу з досить малим перетином взаємодії. Це зумовлює необхідність дуже частої заміни конструкцій D-Tі D-D реактора і знижує його рентабельність настільки, що вартість конструкцій реакторів із сучасних матеріалів для цих двох типів виявляється більшою за вартість виробленої на них енергії. Рішення можливі трьох типів:

  1. Відмова від чистого ядерного синтезу та вживання його як джерело нейтронів для поділу урану або торію.
  2. Відмова від D-T та D-D синтезуна користь інших реакцій синтезу (наприклад, D-He).
  3. Різке здешевлення конструкційних матеріалів чи розробка процесів їх відновлення після опромінення. Потрібні також гігантські вкладення матеріалознавство, але перспективи неопределенные.

Побічні реакції D-D(3 %) при синтезі D-He ускладнюють виготовлення рентабельних конструкцій для реактора, але не є неможливими на сучасному технологічному рівні.

Розрізняють такі фази досліджень:

1. рівновагу або режим «перевалу»(Break-even): коли загальна енергія, що виділяється у процесі синтезу, дорівнює загальної енергії, витраченої на запуск та підтримку реакції. Це співвідношення позначають символом Q.

2. Палаюча плазма(Burning Plasma): проміжний етап, на якому реакція підтримуватиметься головним чином альфа-частинками, які продукуються в процесі реакції, а не зовнішнім підігрівом. Q ≈ 5. Досі (2012) не досягнуто.

3. Запалення(Ignition): стабільна реакція, що самопідтримується. Повинна досягатися при великих значеннях Q. Досі не досягнуто.

Наступним кроком у дослідженнях має стати Міжнародний термоядерний експериментальний реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). На цьому реакторі планується провести дослідження поведінки високотемпературної плазми (палаюча плазма з Q~ 30) та конструктивних матеріалів для промислового реактора.

Остаточною фазою досліджень стане DEMO: прототип промислового реактора, на якому буде досягнуто займання, та продемонстровано практичну придатність нових матеріалів. Найоптимістичніші прогнози завершення фази DEMO: 30 років. Враховуючи орієнтовний час на побудову та введення в експлуатацію промислового реактора, нас відокремлює ~40 років від промислового використання термоядерної енергії.

Існуючі токамаки

Загалом у світі було збудовано близько 300 токамаків. Нижче перераховані найбільші їх.

  • СРСР та Росія
    • Т-3 – перший функціональний апарат.
    • Т-4 – збільшений варіант Т-3
    • Т-7 - унікальна установка, в якій вперше у світі реалізована відносно велика магнітна система з надпровідним соленоїдом на базі ніобату олова, що охолоджується рідким гелієм. Головне завдання Т-7 було виконано: підготовлено перспективу для наступного покоління надпровідних соленоїдів термоядерної енергетики.
    • Т-10 та PLT - наступний крок у світових термоядерних дослідженнях, вони майже однакового розміру, що дорівнює потужності, з однаковим фактором утримання. І отримані результати ідентичні: на обох реакторах досягнуто заповітної температури термоядерного синтезу, а відставання за критерієм Лоусона - всього в двісті разів.
    • Т-15 - реактор сьогоднішнього дня з надпровідним соленоїдом, що дає поле напруженістю 3,6 Тл.
  • Лівія
    • ТМ-4А

Посилання

  • Є.П. Веліхів; С.В. МирновКерований термоядерний синтез виходить на фінішну пряму (PDF). Троїцький інститут інноваційних та термоядерних досліджень. Російський науковий центр "Курчатовський інститут".. ac.ru. - Популярний виклад проблеми.. Архівовано з першоджерела 5 лютого 2012 року. Перевірено 8 серпня 2007 року.
  • К. Ллуеллін-Сміт.Дорогою до термоядерної енергетики. Матеріали лекції, прочитаної 17 травня 2009 року у ФІАН.
  • Грандіозний експеримент із термоядерного синтезу проведуть у США.

Див. також

Примітки

  1. Бондаренко Б. Д. «Роль О. А. Лаврентьєва у постановці питання та ініціювання досліджень з керованого термоядерного синтезу в СРСР» // УФН 171 , 886 (2001).
  2. Відгук А. Д. Сахарова, опублікований у розділі «З Архіву Президента Російської Федерації». УФН 171 , 902 (2001), стор 908.
  3. Наукове співтовариство фізиків СРСР. 1950-ті-1960-ті роки. Документи, спогади, дослідження/ Упорядники та редактори П. В. Візгін та А. В. Кессених. - СПб. : РДХА, 2005. – Т. I. – С. 23. – 720 с. - 1000 екз.
  4. У ранніх термоядерних боєприпасах США використовувався також і дейтерид природного літію, що містить в основному ізотоп літію з масовим числом 7. Він також є джерелом тритію, але для цього нейтрони, що беруть участь у реакції, повинні мати енергію 10 МеВ і вище.
  5. Термоядерні електростанції безнейтронного циклу (наприклад D + 3 He → p + 4 He + 18,353 МеВ) c МГД-генератором на високотемпературній плазмі;
  6. Є. П. Веліхов, С. В. ПутвінськийТермоядерний реактор. Fornit (22 жовтня 1999 року). - Доповідь від 22.10.1999, виконана у рамках Energy Center of the World Federation of Scientists. Архівовано з першоджерела 5 лютого 2012 року. Перевірено 16 січня 2011 року.
  7. (англ.) Postnote: Nuclear Fusion, 2003
  8. EFDA | European Fusion Development Agreement
  9. Tore Supra
  10. Tokamak Fusion Test Reactor
  11. Princeton Plasma Physics Laboratory Overview
  12. MIT Plasma Science & Fusion Center: research>alcator>
  13. Home - Fusion Website
  14. Fusion Plasma Research
  15. The Artificial Sun-中安在线-english
  16. Термояд вийшов із нуля - Газета. Ru
  17. Інформація про фільм «Людина-павук 2» («Spider-Man 2») - Кінотеатр «Космос»