Фантастичекая энергия. Часть 3

Недостатки ядерных реакций и сложности термоядерных

Положительный энергетический баланс имеют те ядерные реакции, которые направлены в сторону образования ядер среднего размера: либо путем деления тяжелых ядер, либо, напротив, путем слияния легких. Первая реакция называется реакцией ядерного распада; вторая – реакцией термоядерного синтеза. Обе реакции можно использовать для получения энергии.

Атомные электростанции, производящие электроэнергию за счет реакций ядерного распада, не способны решить глобальную энергетическую проблему из-за ограниченности ресурсов урана, высоких экономических затрат на строительство и обслуживание, риска ядерных аварий. Особой проблемой является высокий уровень радиационного загрязнения – радиоактивных отходов в год производятся сотни тысяч тонн. Управление радиоактивными отходами требует специальных мер безопасности, и до сих пор в мире нет универсального решения для этой проблемы – обычно отходы просто захоранивают.

Единственной известной альтернативой остаются лишь реакторы, работающие по принципу слияния легких ядер. Как же осуществить слияние двух ядер на практике? Взаимодействующие ядра заряжены положительно и отталкиваются электрическими силами, поэтому, чтобы ядра сблизились на расстояние действия ядерных сил, им необходимо преодолеть это сопротивление. Это возможно лишь при большой величине скорости ядер. Одним из способов достижения таких скоростей является сильный нагрев вещества, из-за чего реакции и получили название термоядерных.

Сила отталкивания двух ядер друг от друга определяется количеством протонов в каждом из ядер и, значит, пропорциональна произведению атомных номеров ядер. Поэтому легче всего осуществить сближение самых легких ядер, имеющих атомный номер 1. Из однозарядных ядер в реакцию слияния вступают ядра «тяжелых» изотопов водорода: дейтерия  D и трития Т. Существуют и другие виды термоядерных реакций, в которых участвуют частицы с бόльшим зарядом, однако скорости их протекания на несколько порядков меньше, поэтому они становятся заметными при очень больших температурах, достигающих порядка 10⁹ °С, и их осуществление значительно более сложное и дорогое.

«Тяжелые» реакции

Дейтерий стабилен и входит в состав молекул тяжелой воды D₂O, содержащейся в обычной морской воде в пропорции 1:6500 (около 1 г дейтерия на 60 л воды). Поскольку вода доступна практически в неограниченном количестве (в отличие от, например, природного урана), производить дейтерий намного проще, чем ядерное топливо.

Тритий нестабилен и имеет период полураспада 12,4 года, поэтому его запасы на Земле отсутствуют. Однако тритий может быть произведен, например, из лития путем облучения быстрыми нейтронами или в процессе слияния ядер дейтерия.

Рассмотрим уравнение реакции слияния двух ядер дейтерия

В результате столкновения двух ядер дейтерия может происходить один из двух процессов: один – с образованием ядра изотопа гелия ³He и нейтрона n; второй – с образованием ядра трития Т и протона p. В первом случае при элементарном акте ядерного синтеза выделяется энергия около 3,27 МэВ; во втором – 4,04 МэВ (энергия 1 МэВ соответствует температуре 11,65 млрд °С). Энергия в обозначенных количествах уносится в основном в виде кинетической энергии нейтронов. Для превращения этой энергии в тепло и далее в электрическую энергию эти нейтроны должны быть поглощены теплоносителем.

Образовавшийся тритий может вступать в реакцию синтеза с дейтерием по схеме:

В результате образуются  ядра атома гелия-4  и быстрые нейтроны n. В такой реакции выделяется энергии 17,7 МэВ. Для сближения ядер трития и дейтерия им достаточно сообщить энергию порядка единиц КэВ; продукты реакции имеют энергию порядка единиц МэВ, то есть в тысячи раз бόльшую. При образовании примерно 1 грамма гелия высвобождается энергия порядка 200 МВт⋅ч (720 ГДж), что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 160 т  тринитротолуола .

Если в результате реакций ядерного деления в больших количествах образуются радиоактивные изотопы, то при реакции термоядерного синтеза такие продукты в существенных количествах не возникают, так как радиоактивные отходы образуются не в процессе самой реакции, а в результате бомбардировки окружающего оборудования быстрыми нейтронами. Кроме того, существуют безнейтронные термоядерные реакции – такие реакции самые безопасные.

Доступность сырья (практически неограниченное количество исходного топлива) и сравнительная экологическая чистота делают термоядерную энергетику чрезвычайно привлекательной. С одной стороны, запас воды на Земле очень велик, с другой – воды для таких реакторов требуется крайне мало. Количество этого топлива размером с ананас эквивалентно 10 000 тонн угля , а дейтерий, содержащийся в 1 литре воды, может дать энергию, эквивалентную сжиганию 300 л бензина.

На земле как на небе

Однако для инициирования реакции термоядерного синтеза просто нагреть топливо до нужных температур недостаточно.

Синтез – это довольно редкое явление в мире частиц: на один миллион соударений ядер происходит в среднем только одна реакция их синтеза!

Это означает, что для запуска термоядерной реакции и получения из нее положительного выхода энергии нужно удовлетворить два специальных требования:

1. обеспечить нагрев топлива до термоядерных температур;
2. поддерживать эту температуру достаточно долго для того, чтобы, рассеиваясь миллионы раз, в реакции синтеза все же успело принять участие такое количество ядер, суммарный выход энергии которых превысил бы энергию, затраченную на нагрев и удержание топлива.

Реакции синтеза в дейтерии, происходящие по указанной выше схеме, обладают заметной интенсивностью лишь при температурах, превышающих 2,5 млн градусов Цельсия; для того чтобы выделяющаяся избыточная энергия представляла практический интерес, необходима температура в несколько сот миллионов градусов Цельсия. При такой температуре дейтерий уже не является нейтральным веществом, а превращается в высокоионизованную плазму. При этом основная трудность заключается в том, чтобы изолировать эту плазму от стенок аппарата , в котором она находится, иначе плазму из-за ее высокой теплопроводности не удастся нагреть даже до нескольких сот тысяч градусов, так как вся сообщаемая ей энергия будет немедленно уходить на стенки.

В звездах удержание плазмы происходит естественным путем из-за их огромных масс: такой гравитационный метод удержания плазмы реален только в крупных космических объектах и неосуществим в лабораторных условиях.

Поиск решений

В 1950 году Андреем Дмитриевичем Сахаровым и Игорем Евгеньевичем Таммом была впервые предложена альтернатива – магнитный метод удержания плазмы, основанный на эффекте воздействия магнитного поля на траекторию движения заряженных частиц: магнитное поле нужной конфигурации способно удерживать плазму в заданном объеме на протяжении определенного времени. Идея вызвала бурю оптимизма в решении задачи построения коммерческого термоядерного реактора, но до сих пор, спустя 70 лет, подобный реактор пока так и не удалось построить.

Справка

ITER – International Thermonuclear Experimental Reaction – международный экспериментальный термоядерный реактор. Он расположен на территории исследовательского центра Кадараш на юге Франции.

Разработка инженерного проекта ITER началась с середины 1980-х годов и была завершена в 2001 году. Строительство началось в 2010 году, а летом 2020 года началась сборка реактора. Срок окончания постройки запланирован на 2025 год, а эксперименты с подачей дейтерия и трития планируется начать в 2030 году. В этом проекте Россия принимает непосредственное участие. Согласно этому проекту, в ближайшем будущем должен быть введен в действие токамак с выходом 500 МВт ⋅ 10 мин, с энергетической эффективностью, превышающей 1 000%. В целом токамак ITER будет представлять собой 60-метровое (+13 м под землей) сооружение массой 23 000 т. 19 июня 2020 года на заседании Совета ИТЭР было объявлено, что проект выполнен на 70%.

подробнее

Трудности в реализации магнитного удержания вынуждали продолжать поиск альтернатив. В 1963 году группа Юрия Алексеевича Трутнева предложила создать стационарную установку для получения электроэнергии с помощью подземных термоядерных взрывов , производимых в специальных камерах диаметром от 100 до 200 м, высотой до 200 м и более. В этих камерах предполагалось взрывать килотонные бомбы, и реализация таких камер стала затруднительной задачей.

Тогда возникла идея уменьшить мощность взрываемых зарядов: для взрыва капсул с топливом, масса которых составляет примерно 1 грамм, потребуются камеры небольших размеров – примерно 5 м в диаметре и около 10 м в высоту, построить которые технически несложно. Таким образом, кроме гравитационного и магнитного удержания плазмы, существует третий вид удержания – его назвали инерциальным методом удержания плазмы. В этом методе плазма удерживается за счет сил инерции: в ходе быстрого ввода энергии нужно обеспечить надкритические параметры плазмы – такие, чтобы ядра успели прореагировать прежде, чем плазма разлетится.

Ожидается, что в термоядерных технологиях импульсная энергетика может сыграть решающую роль. Поэтому и для запуска таких «микровзрывов» используются специальные источники энергии – мощные импульсные генераторы.

«Топливная горошина» и искусственная молния

В существующих проектах ИТС предполагается дейтерий-тритиевую смесь в виде газа или льда заключать в твердую миллиметровую сферическую оболочку из легкого металла – бериллия.

Эта капсула помещается в специальную систему, получившую название Z-пинч (лайнер). Она представляет собой тонкую металлическую цилиндрическую оболочку и набор расположенных по линии, образующей цилиндр, тонких проводников с осью, направленной по вертикали . Вместо проводников возможно и использование газа, инжектируемого в цилиндрический промежуток под высоким давлением через кольцевое сопло (газовый лайнер).

Через Z-пинч с помощью мощного импульсного генератора пропускают большой импульс тока, достигающего 25 миллионов ампер, который ионизует и нагревает его. Под действием силы, действующей на протекающий ток со стороны собственного магнитного поля, Z-пинч сжимается к центру, причем скорость радиального движения достигает 10⁵-10⁶ м/с. На этом этапе энергия импульсного генератора, питающего Z-пинч, преобразуется в кинетическую энергию сжимающейся плазмы (плазменного лайнера). Эта плазма сжимает капсулу с топливом так сильно, что в ней запускаются термоядерные реакции и начинает выделяться энергия.

В настоящее время в нескольких крупных лабораториях мира исследуется возможность создания импульсного генератора для термоядерного Z-пинча. Наиболее мощный из существующих импульсных генераторов тока, Z-машина (Sandia National Laboratories, США), способен обеспечить ток около 25 млн ампер. Размер этого генератора составляет 33 метра в диаметре.

На фотографии выше показан внешний вид узла нагрузки до и после срабатывания генератора Z. Очистка и подготовка к новому выстрелу занимает целый рабочий день, в то время как для коммерческого термоядерного реактора требуется производить 1 выстрел каждые 10 секунд – наука сейчас активно продолжает работу над тем, чтобы воплотить эту идею в жизнь.

Фантастическая энергия. Часть 1

Фантастическая энергия. Часть 2