Сторінка
1

Джерело енергії термоядерного процесу

ПЛАНВступ1. Поява нової енергії2. Умови керованого ядерного синтезу3. Токамаки: що досягнуто?4. Ядерний синтез завтраВисновок

Використана література: Вступ Ми звично говоримо про термоядерний синтез, як про перспективне джерело енергії. Але от питання: чи не занадто довго він залишиться всього лише “перспективним”? Адже склалася парадоксальна ситуація: на енергії розподілу ядер урану вже давно працюють атомні електростанції, тоді як керований синтез легких ядер не дає позитивного балансу енергії. Тим часом останній процес відкрили на чотири роки раніше, ніж перший: у 1934 році в лабораторії Е. Резерфорда був проведений синтез ядер дейтерію з одержанням тритію. А вже через кілька років теоретики знайшли придатні ядерні процеси, що пояснюють механізм “горіння” зірок, що так довго був нерозв'язною загадкою. Виходить, роль термоядерної реакції, як можливого джерела величезних кількостей енергії, була усвідомлена давно. Які ж труднощі стояли і стоять на шляху до оволодіння цим джерелом?

1. Поява нової енергії Головна причина стійкості зоряних термоядерних реакцій — величезні розміри реакторів, та й часи циклів реакцій обчислюються мільйонами років.Як же в наших обмежених масштабах створити подібне? У 1945 році на далекому Сахаліні в учня вечірньої середньої школи Олегам Лаврентьєва блиснула смілива ідея, що обіцяла створення штучного земного сонця. Як писав сам Олег Олександрович, він “сформулював принцип теплової ізоляції електричним полем цілком іонізованого газу з метою промислової утилізації термоядерних реакцій” і не довго думаючи направив пропозицію прямо на адресу І.В.Сталіна. Лист залишився без відповіді, але повторна пропозиція в ЦК ВКП(б) спрацювала миттєво. У 1954 році ця ідея, виявилася дуже плідною, була втілена в Інституті атомної енергії (ІЕА). З'явилася перша дослідницька термоядерна установка токомак. Згодом А.Д.Сахаров, вже академік, засвідчив: “Підтверджую, що в червні чи липні 1950 р. я рецензував роботу О.А.Лаврентьєва . Ознайомлення з роботою Лаврентьєва послужило поштовхом, що сприяє прискоренню моєї спільної з І.Е.Таймом роботи з магнітної термоізоляції високотемпературної плазми”. Але дійсність виявилася складніше. З'ясувалося, що в тороідальному полічастки за кожний оберт будуть зміщатися з області більш сильної напруженості (внутрішній периметр тороіда) в область слабкої напруженості (зовнішній периметр) і вся плазма “вивалиться” на зовнішню стінку, не встигнувши розігрітися до термоядерних температур. Правда, вихід швидко знайшли: для утримання плазми в рівновазі силовілінії її магнітного полюсу треба завити по спіралі. Двадцять років по тому ця робота зіграла історичну роль і стала однією з основ теорії токамаків. У 1969 році на міжнародній конференції в Дубні було оголошено, що в плазмі токамака Т-3 досягнута фантастична для того часу температура - 7-10 млн. градусів. Почалося всесвітнє “звертання в токамаки”. Зараз на токамаках, крім Росії, працюють у США, Великобританії, Франції, ФРН, Італії, Японії, Китаї, Австралії, Лівії, Угорщині й інших країнах. Виявилося, що в замкнутих магнітних системах положення класичної теорії парних зіткнень часток плазми, на яку тоді спиралися учені, не виконуються. А в 1965 році відомі радянські фізики Р.З.Садєєв, А.А.Галєєв і Л.М.Коврижних створили нову теорію, за що згодом були визнані гідними Ленінської премії. 2. Умови керованого ядерного синтезу

Термоядерний синтез - процес злиття легких атомних ядер при високих температурах з виділенням енергії. Процес синтезу інтенсивно протікає тільки між легкими ядрами, що володіють малим позитивним зарядом і тільки при температурах 10 К, коли кінетична енергія ядер, що зіштовхуються, виявляється достатньою для подолання кулонівських сил відштовхування.

У природних умовах термоядерні реакції між ядрами водню протікають у надрах зірок і служать постійним джерелом енергії для їх випромінювання. На Землі має сенс використовувати лише найбільш ефективну з термоядерних реакцій, а саме злиття двох ізотопів водню - дейтерію і тритію.

В енергетично вигідних термоядерних реакціях беруть участь насамперед ізотопи водень-дейтерій (Д) і тритій (Т). При цьому з двох реакцій Д+Д і Д+Т остання в сто разів ефективніше, і у всіх сучасних установках намагаються здійснити саме її. При злитті ядер дейтерію і тритію утвориться нестабільне ядро, що швидко розпадається на альфа-частинку (ядро гелію-4) з енергією 3,5 Мев і нейрон з енергією 14,1 Мев (тобто 20( і 80( загальної енергії відповідно): Д+Т( 4Не++ (3,5 Мев)+n(14,1 Мев). Справа ускладнюється тим, що “готового” тритію в природі майже немає. Але вихід знайдений: цей ізотоп виробляється в самому реакторі з літію. Таким чином, у термоядерних реакціях, у тому числі в токамаках, буде, по суті, “спалюватися” літій, один грам якого в цьому випадку відповідає тонні умовного палива. А доступні запаси літію на Землі на три порядки перевершують запаси органічного палива, причому добувати літій порівняно нескладно. Для одержання корисної енергії в реакціях ядерного синтезу треба послідовно досягти двох граничних умов: “запалювання” реакції, те є позитивного енергобалансу, і самостійного, синтезу, що самопідтримується, що вже не вимагає зовнішнього “підігріву”.Крім того, необхідні визначена щільність і час існування плазми при даній температурі. У 1957 році англійський фізик Дж.Лоусон вивів відповідний критерій: добуток щільності плазми n (число часток у кубічному метрі її обсягу) на час існування ( (вимірюване в секундах) при температурі Т=108 До повинно бути не менш 2*1020 с/м3. У цих умовах енергобаланс термоядерної реакції буде позитивним, тобто загальний вихід енергії перевищить енерговитрати на нагрівання. Але досягнення першої граничної умови – запалювання - ще не забезпечує другого, тобто самопідтримки реакції. Уся надія лише на заряджені ядра гелію. Щоб вони удержалися в зоні реакції, а їхньої енергії вистачило на її самопідтримка, магнітне поле повинне мати визначену напруженість У, а плазма- визначений обсяг V. Добуток цих двох величин BV називається фактором утримання, що і характеризує ступінь самозабезпеченості реакції. 3. Токамаки: що досягнуто?Т - 4 — по суті, збільшена модель Т-3.Т - 7 — унікальна установка, у якій вперше у світі реалізована відносно велика магнітна система зі зверхпровідним соленоїдом на базі ніобата олова, охолоджуваного рідким гелієм. Головна задача Т - 7 була виконана: підготовлена перспектива для наступного покоління зверхпровідних соленоїдів термоядерної енергетики. Щоб підкреслити всю складність цієї задачі, відзначимо, що спроба наших колег із ФРН спорудити плазмову установку W - 7 зі зверхпровідною системою не удалася.Т - 10 і PLT— наступний крок у світових термоядерних дослідженнях, вони майже однакового розміру, рівної потужності, з однаковим фактором утримання. І отримані результати ідентичні: на обох реакторах досягнута заповітна температура термоядерного синтезу, а відставання за критерієм Лоусона — всього у двісті разів. Не треба дивуватися цьому начебто легковажному “всього”: насправді в ті роки і такий результат був успіхом.JET (Joint Europeus Tor) — самий великий у світі токомак, створений організацією Євратом у Великобританії. У ньому використаний комбінований нагрівання: 20 Мвт — нейтральна інжекція, 32 Мвт — іонно-циклотроннийрезонанс. У підсумку критерій Лоусона лише в 4-5 разів нижче рівня запалювання.Т - 15 — реактор сьогоднішнього дня зі зверхпровідним соленоїдом, що дає поле напруженістю 3,5 Тл. На жаль, настільки важливий для розвитку наших робіт з термоядерним реактором є самим “молодшим” у своєму поколінні, явно відстаючи від останніх закордонних. Таке відставання — розплата за негнучкість нашої промисловості і проектних організацій, отчого кожна нова установка ставати “довгобудом”. TFTR (Test Fusion Tokamak Reactor) — найбільший токамак США (у Прінстонському університеті) з додатковим нагріванням швидкими нейтральними частками. Досягнуть високий результат: критерій Лоусона при істинно термоядерній температурі усього в 5,5 рази нижче порога запалювання. Як видно з короткого огляду, немає сумнівів, що найближчим часом можна очікувати “запалювання” термоядерної реакції в земних умовах на суміші газів дейтерію і тритію. 4. Ядерний синтез завтра “На завтра” планується насамперед створення наступного покоління токамаків, у яких можна досягти синтезу, що самопідтримується. З цією метою в ІАЕ імені І.В.Курчатова і НДІ електрофізичної апаратури імені Д.В.Єфремова розробляється Досвідчений термоядерний реактор (ОТР). В ОТР ставиться метою самопідтримка реакції на такому рівні, щоб відношення корисного виходу енергії до витраченого (позначається Q ) було чи більше принаймні дорівнює одиниці: Q=1. Це умова — серйозний етап відпрацьовування всіх елементів системи на шляху створення комерційного реактора з Q=5. За наявними оцінками, лише при цьому значенні Q досягається самооплатність термоядерного енергоисточника, коли окупаються витрати на всі обслуговуючі процеси, включаючи і соціально-побутові витрати. А поки що на американському TFTR досягнуте значення Q=0,2-0,4. Існують також і інші проблеми. Наприклад, перша стінка — тобто оболонка тороїдальної вакуумної камери — сама напружена, буквально багатостраждальна частина всієї конструкції. В ОТР її обсяг приблизно 300 м3, а площа поверхні близько 400 м2. Стінка повинна бути досить міцної, щоб протистояти атмосферному тиску і механічним силам, що виникають від магнітного полючи, і досить тонкої, щоб без помірного перепаду температур відводити теплові потоки від плазми до води, що циркулює на зовнішній стороні тороіда. Її оптимальна товщина 2 мм. Як матеріали обрано аустенітні сталі або нікелеві і титанові сплави. Планується установка Євратомом NET (Next Europeus Tor), багато в чому схожим з ОТР, це наступне покоління токомаків після JET і Т-15. NET передбачається спорудити в плині 1994-1999 років. Перший етап досліджень планується провести за 3-4 року. Говорять і про наступне поколінні після NET — це вже “дійсний” термоядерний реактор, умовно названий DEMO. Утім, не всі поки ясно навіть і з NET, оскільки є плани спорудження декількох міжнародних установок. Висновок Ми простежили термоядерний синтез “завтра” до кінця XX і навіть до початку XXI століття.Тут уже багато чого заплановано і визначено. Таке передбачуване “завтра”, видимо, скінчиться з пуском “сьогодення” реактора. А що далі — це вже багато в чому з області фантастики.Життя йде вперед, відкриваються всі нові обрії. Безсумнівно лише одне: термоядерний синтез — реальність XXI століття, але на його шляху у велику енергетику ще багато роздоріж.