Проблеми керування термоядерним синтезом (УТС). Міжнародний журнал прикладних та фундаментальних досліджень Проблеми створення термоядерних установок

Розроблено нову методику для ефективного уповільнення електронів, що тікають шляхом введення «важких» іонів, таких як неон або аргон, в реактор.

Функціональний термоядерний реактор - це все ще мрія, але вона зрештою може реалізуватися завдяки численним дослідженням та експериментам з метою розблокування необмеженого запасу чистої енергії. Проблеми з якими вчені стикаються при отриманні ядерного синтезу, безсумнівно, серйозні та справді складні, проте все можна подолати. І здається, що одну з головних проблем вирішено.

Ядерний синтез - це не придуманий людством процес, а існуючий у природі спочатку процес живить наше Сонце. Глибоко всередині нашої рідної зірки атоми водню розташовані разом, щоб сформувати гелій, який є поштовховим для процесу. Термоядерний синтез вивільняє величезну кількість енергії, але потребує величезних витрат на створення надзвичайно високого тиску та температури, що складно піддається контрольованому відтворенню на Землі.

Минулого року дослідники з Массачусетського технологічного інституту наблизили нас до синтезу, помістивши плазму в умови з тим самим, відповідним тиском, тепер два дослідники з Університету Чалмерса відкрили ще один шматочок головоломки.

Одна з проблем, з якою інженери зіткнулися, - це електрони, що тікають. Ці електрони з надзвичайно високою енергією можуть раптово і несподівано розігнатися до дуже високої швидкості, що може зруйнувати стіну реактора без попередження.

Докторанти Ліннея Хешлов і Оле Ембероз розробили нову методику для ефективного уповільнення цих електронів, що тікають шляхом введення «важких» іонів, таких як неон або аргон, в реактор. У результаті, електрони, стикаючись з високим зарядом в ядра цих іонів, уповільнюються і стають набагато керованішими.

«Коли ми зможемо ефективно уповільнювати електрони, що тікають, ми підійдемо на один крок ближче до функціонального термоядерного реактора», - говорить Ліннеа Хешлов.

Дослідники створили модель, яка може ефективно прогнозувати енергію електронів та поведінку. Використовуючи математичне моделювання плазми фізики тепер можуть ефективно контролювати швидкість втікання електронів, не перериваючи процес синтезу.

«Багато хто вважає, що це буде працювати, але легше з'їздити на Марс, ніж досягти злиття», - каже Ліннеа Хешлов: «Можна сказати, що ми намагаємося зібрати тут зірки на землі, і це може зайняти деякий час. Він бере неймовірно високі температури, гарячі, ніж центр сонця, для нас, щоб успішно досягти злиття тут, на землі. Тому я сподіваюся, що вся ця справа часу».

за матеріалами newatlas.com, переклад

3. Проблеми керованого термоядерного синтезу

Дослідники всіх розвинених країн пов'язують надії на подолання майбутньої енергетичної кризи з керованою термоядерною реакцією. Така реакція - синтез гелію з дейтерію та тритію - мільйони років протікає на Сонці, а в земних умовах її ось уже п'ятдесят років намагаються здійснити в гігантських і дуже дорогих лазерних установках, токамаках (пристрій для здійснення реакції термоядерного синтезу в гарячій плазмі) та стеллаторах ( замкнута магнітна пастка для утримання високотемпературної плазми. Однак є й інші шляхи вирішення цього непростого завдання, і замість величезних токамаків для здійснення термоядерного синтезу можна буде, ймовірно, використати досить компактний та недорогий колайдер – прискорювач на зустрічних пучках.

Для роботи Токамака необхідна дуже невелика кількість літію та дейтерію. Наприклад, реактор з електричною потужністю 1 ГВт спалює близько 100 кг дейтерію та 300 кг літію на рік. Якщо припустити, що всі термоядерні електростанції будуть виробляти 10 трлн. кВт/год електроенергії на рік, тобто стільки ж, скільки сьогодні виробляють усі електростанції Землі, то світових запасів дейтерію та літію вистачить на те, щоб постачати людство енергією протягом багатьох мільйонів років.

Крім злиття дейтерію і літію можливий суто сонячний термояд, коли з'єднуються два атоми дейтерію. У разі освоєння цієї реакції енергетичні проблеми будуть вирішені одразу й назавжди.

У будь-якому з відомих варіантів керованого термоядерного синтезу (УТС) термоядерні реакції не можуть увійти в режим неконтрольованого наростання потужності, отже, таким реакторам не властива внутрішня безпека.

З фізичного погляду завдання формулюється нескладно. Для здійснення самопідтримується реакції ядерного синтезу необхідно і достатньо дотриматись двох умов.

1. Енергія, що беруть участь у реакції ядер, повинна становити не менше ніж 10 кеВ. Щоб пішов ядерний синтез, що беруть участь у реакції ядра повинні потрапити в поле ядерних сил, радіус дії яких 10-12-10-13 с. Однак атомні ядра мають позитивний електричний заряд, а однойменні заряди відштовхуються. На межі дії ядерних сил енергія кулонівського відштовхування становить величину близько 10 кеВ. Щоб подолати цей бар'єр, ядра при зіткненні повинні мати кінетичну енергію, принаймні не менше за цю величину.

2. Добуток концентрації реагуючих ядер на час утримання, протягом якого вони зберігають вказану енергію, має бути не менше 1014 см3. Ця умова – так званий критерій Лоусона – визначає межу енергетичної вигідності реакції. Щоб енергія, що виділилася реакції синтезу, хоча б покривала витрати енергії на ініціювання реакції, атомні ядра повинні зазнати багато зіткнень. У кожному зіткненні, у якому відбувається реакція синтезу між дейтерієм (D) і тритієм (Т), виділяється 17,6 МеВ енергії, т. е. приблизно 3.10-12 Дж. Якщо, наприклад, на підпал витрачається енергія 10 МДж, то реакція буде збитковою, якщо в ній візьмуть участь щонайменше 3.1018 пар D-T. А для цього досить щільну плазму високої енергії слід утримувати в реакторі досить довго. Така умова і виражається критерієм Лоусона.

Якщо вдасться одночасно виконати обидві вимоги, проблема керованого термоядерного синтезу буде вирішена.

Проте технічна реалізація цієї фізичної завдання зіштовхується з величезними труднощами. Адже енергія 10 кеВ – це температура 100 мільйонів градусів. Речовину при такій температурі утримати навіть протягом часток секунди можна тільки у вакуумі, ізолювавши його від стінок установки.

Але існує й інший метод вирішення цієї проблеми – холодна термоядка. Що таке холодна термоядка - це аналог "гарячої" термоядерної реакції, що проходить при кімнатній температурі.

У природі існує, як мінімум, два способи зміни матерії всередині однієї мірності континууму. Можна закип'ятити воду вогні, тобто. термічно, а можна у НВЧ печі, тобто. частотно. Результат один - вода закипає, різниця лише в тому, що частотний метод швидший. Також використовується досягнення надвисокої температури, щоб розщепити ядро атома. Термічний спосіб дає некеровану ядерну реакцію. Енергія холодної термоотрути – енергія перехідного стану. Однією з основних умов конструкції реактора щодо реакції холодної термоотрути є умова його пірамідально – кристалічної форми. Іншою важливою умовою є наявність магнітного і торсійного полів, що обертається. Перетин полів відбувається у точці нестійкого рівноваги ядра водню.

Вчені Рузі Талейархан із Ок-Ріджської Національної Лабораторії, Річард Лейхи з Політехнічного Університету ім. Ренссіліра та академік Роберт Нігматулін – зафіксували в лабораторних умовах холодну термоядерну реакцію.

Група використовувала мензурку з рідким ацетоном розміром дві-три склянки. Крізь рідина інтенсивно пропускалися звукові хвилі, справляючи ефект, відомий у фізиці як акустична кавітація, наслідком якої є сонолюмінесценція. Під час кавітації в рідині з'являлися маленькі бульбашки, які збільшувалися до двох міліметрів у діаметрі та вибухали. Вибухи супроводжувалися спалахами світла та виділенням енергії тобто. температура всередині бульбашок у момент вибуху досягала 10 мільйонів градусів за Кельвіном, а енергії, що виділяється, за твердженням експериментаторів, достатньо для здійснення термоядерного синтезу.

"Технічно" суть реакції полягає в тому, що в результаті з'єднання двох атомів дейтерію утворюється третій - ізотоп водню, відомий як тритій, і нейтрон, що характеризується колосальною кількістю енергії.

Струм у надпровідному стані дорівнює нулю, і, отже, на підтримку магнітного поля буде витрачатися мінімальна кількість електроенергії. 8. Надшвидкодіючі системи. Керований термоядерний синтез з інерційним утриманням Труднощі, пов'язані з магнітним утриманням плазми, можна в принципі обійти, якщо спалювати ядерне пальне за надзвичайно малі часи, коли...

На 2004 рік. Чергові переговори щодо цього проекту відбудуться у травні 2004 року у Відні. Реактор почнуть створювати у 2006 році та планують запустити у 2014. Принцип роботи Термоядерний синтез* – це дешевий та екологічно безпечний спосіб видобутку енергії. На Сонці вже мільярди років відбувається некерований термоядерний синтез – з важкого ізотопу водню дейтерію утворюється гелій. При цьому...

Експериментального термоядерного реактора очолює Є.П.Веліхов. США витративши 15 мільярдів доларів вийшли з цього проекту, решту 15 мільярдів уже витрачено міжнародними науковими організаціями. 2. Технічні, екологічні та медичні проблеми. Під час роботи установок керованого термоядерного синтезу (УТС). виникають нейтронні пучки і гама випромінювання, а також виникають...

Енергії і якої якості знадобиться, для того щоб енергії, що виділяється, виявилося достатньо для покриття витрат на запуск процесу енерговиділення. Це питання ми обговоримо нижче у зв'язку із проблемами термоядерного синтезу. Про якість лазерів У найпростіших випадках обмеження перетворення енергії низької якості в енергію високої якості очевидні. Наведу кілька прикладів із...

Незважаючи на повну абсолютну впевненість заяви досить авторитетних зарубіжних фахівців про швидке використання енергії, яку, нарешті, можна буде отримувати від термоядерних реакторів, - все не так оптимістично. Термоядерна енергетика, здавалося б, така зрозуміла і доступна, насправді, як і раніше, далека від широкого та повсюдного впровадження на практиці. Нещодавно в Інтернеті знову з'явилися райдужні повідомлення, які запевняють широку громадськість у тому, що «не залишилося жодних технічних перешкод для створення незабаром термоядерного реактора». Але така впевненість була і раніше. Здавалося, що це дуже перспективна та вирішувана проблема. Але минули десятки років, а віз, як то кажуть, і нині там. Високоефективне екологічно чисте джерело енергії досі залишається непідвладним людству. Як і раніше, це - перспективний предмет досліджень і розробок, які повинні будуть колись завершитися вдалим проектом - і тоді енергія піде до нас як із рогу достатку. Але справа в тому, що таке довге просування вперед, більше схоже на тупцювання на місці, змушує дуже серйозно замислитися і оцінити ситуацію, що склалася. Якщо ми недооцінюємо якісь важливі чинники, не враховуємо значення і роль будь-яких параметрів. Адже навіть у Сонячній системі є термоядерний реактор, який так і не вступив в експлуатацію. Це планета Юпітер. Нестача маси та гравітаційного стиснення не дозволили цьому представнику планет-гігантів вийти на необхідну потужність та стати ще одним Сонцем у Сонячній системі. Виходить, що як для звичайного ядерного палива існує критична маса, необхідна для протікання ланцюгової реакції, так і в даному випадку існують обмежуючі параметри. І якщо для того, щоб якось обійти обмеження мінімально необхідної маси при використанні традиційного ядерного заряду, використовується стиснення матеріалу в процесі вибуху, то і у разі створення термоядерних установок теж потрібні певні нестандартні рішення.

Проблема у тому, що плазму потрібно як отримати, а й утримати. Потрібна стабільність у роботі створюваного термоядерного реактора. Але з цим якраз великі проблеми.

Звичайно, ніхто не буде сперечатися про переваги термоядерного синтезу. Це практично необмежений ресурс для одержання енергії. Але директор російського агентства ITER (мова йде про міжнародний експериментальний термоядерний реактор) справедливо зазначив, що вже більше 10 років тому США та Англія отримали енергію на термоядерних установках, але вихід її був далекий від вкладеної потужності. Максимум становив навіть менше 70%. Адже сучасний проект (ITER) передбачає отримання в 10 разів більшої потужності порівняно з вкладеною. Тому дуже насторожують заяви про те, що проект технічно складний і до нього будуть вноситись корективи, як, зрозуміло, і в дати запуску реактора, а відтак повернення інвестицій державам, які вклали кошти в цю розробку.

Таким чином, постає питання, наскільки виправдана спроба замінити потужну гравітацію, яка утримує плазму в природних термоядерних реакторах (зірках) магнітними полями – результатом створення інженерної думки людини? Перевага термоядерного синтезу - виділення енергії в мільйони разів перевищує тепловиділення, що відбувається, наприклад, при спалюванні звичайного палива - саме воно, в той же час, є перешкодою до успішного приборкання енергії, що виривається на свободу. Те, що легко вирішується достатнім рівнем гравітації, стає неймовірно складним завданням для інженерів та вчених. Тому так важко поділити оптимізм щодо близьких перспектив для термоядерної енергетики. Набагато більше шансів користуватися природним термоядерним реактором – Сонцем. Цієї енергії вистачить ще не менш як на 5 мільярдів років. І за рахунок неї будуть працювати фотоелементи, термоелементи і навіть якісь парові котли, для яких вода була б нагріта за допомогою лінз або сферичних дзеркал.

Бібліографічне посилання

Сілаєв І.В., Радченко Т.І. ПРОБЛЕМИ СТВОРЕННЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗУ // Міжнародний журнал прикладних та фундаментальних досліджень. - 2014. - № 1. - С. 37-38;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4539 (дата звернення: 19.09.2019). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»

Сівкова Ольга Дмитрівна

Ця робота зайняла 3 місце на районному НОУ

Завантажити:

Попередній перегляд:

Муніципальна освітня установа

Середня загальноосвітня школа №175

Ленінського району м. Н. Новгорода

Проблеми термоядерного синтезу

Виконала: Сівкова Ольга Дмитрівна

Учениця 11 «А» класу, школи №175

Науковий керівник:

Кіржаєва Д. Г.

Нижній Новгород

2013 рік.

Вступ 3

2. Керований термоядерний синтез 8

3. Переваги термоядерного синтезу 10

4. Проблеми термоядерного синтезу 12

4.1 Екологічні проблеми 15

4.2 Медичні проблеми 16

5. Термоядерні установки 18

6. Перспективи освоєння термоядерного синтезу 23

Висновок 26

Література 27

Вступ

За різними прогнозами основні джерела електроенергії на планеті закінчаться через 50-100 років. Запаси нафти людство вичерпає років через 40, газу – максимум через 80, а урану – через 80-100 років. Запасів вугілля може вистачити років на 400. Але використання цього органічного палива, причому як основне, ставить планету за межу екологічної катастрофи. Якщо сьогодні не зупинити таке нещадне забруднення атмосфери, ні про які століття не може бути й мови. А значить, альтернативне джерело енергії нам необхідне вже в найближчому майбутньому.

І таке джерело є. Це термоядерна енергетика, в якій використовується абсолютно нерадіоактивний дейтерій і радіоактивний тритій, але в обсягах у тисячі разів менших, ніж в атомній енергетиці. І джерело це практично невичерпне, воно засноване на зіткненні ядер водню, а водень - найпоширеніша речовина у Всесвіті.

Однією з найважливіших завдань, що стоять перед людством у цій галузі стоїтьпроблема керованого термоядерного синтезу

Людська цивілізація неспроможна існувати, тим паче розвиватися без енергії. Всі добре розуміють, що освоєні джерела енергії, на жаль, можуть скоро виснажитися. За даними Світової енергетичної ради, розвіданих запасів вуглеводневого палива Землі залишилося на 30 років.

Сьогодні основними джерелами енергії є нафта, газ і вугілля.

За оцінками фахівців, запаси цих копалин закінчуються. Майже не залишилося розвіданих, придатних до освоєння родовищ нафти і вже наші онуки можуть мати справу з дуже серйозною проблемою нестачі енергії.

Найбільш забезпечені паливом атомні електростанції могли б, звісно, ще одну сотню років постачати людство електроенергією.

Об'єкт дослідження:Проблеми керованого термоядерного синтезу.

Предмет дослідження:Термоядерний синтез.

Мета дослідження:Вирішити проблему керування термоядерним синтезом;

Завдання дослідження:

Вивчити види термоядерних реакцій.
Розглянути всі можливі варіанти повідомлення енергії, що виділявся під час термоядерної реакції, до людини.
Висунути теорію про перетворення енергії на електрику.

Вихідний факт:

Ядерна енергія виділяється при розпаді чи синтезі атомних ядер. Будь-яка енергія - фізична, хімічна, або ядерна проявляється своєю здатністю виконувати роботу, випромінювати високу температуру чи радіацію. Енергія в будь-якій системі завжди зберігається, але вона може бути передана іншій системі або змінена формою.

Досягнення умов керованого термоядерного синтезу перешкоджають кілька основних проблем:

По-перше, потрібно нагріти газ до дуже високої температури.
По-друге, необхідно контролювати кількість реагуючих ядер протягом досить тривалого часу.
По-третє, кількість енергії, що виділяється, повинна бути більшою, ніж було витрачено для нагрівання і обмеження щільності газу.
Наступна проблема – накопичення цієї енергії та перетворення її на електрику

1. Термоядерні реакції на Сонце

Що є джерелом сонячної енергії? Якою є природа процесів, у ході яких виробляється величезна кількість енергії? Скільки часу ще світитиме Сонце?

Перші спроби відповісти на ці питання були зроблені астрономами в середині ХІХ століття після формулювання фізиками закону збереження енергії.

Роберт Майєр припустив, що Сонце світить за рахунок постійного бомбардування поверхні метеоритами та метеорними частинками. Ця гіпотеза була відкинута, тому що простий розрахунок показує, що для підтримки світності Сонця на сучасному рівні необхідно щоб на нього за кожну секунду випадало 2∙10 15 кг метеорної речовини. За рік це становитиме 6∙10 22 кг, а за час існування Сонця, за 5 мільярдів років – 3∙10 32 кг. Маса Сонця М = 2∙10 30 кг, тому за п'ять мільярдів років на Сонці мало випасти речовина в 150 разів більша за масу Сонця.

Друга гіпотеза була висловлена Гельмгольцем та Кельвіном також у середині ХIX століття. Вони висловили припущення, що Сонце випромінює за рахунок стиску на 60–70 метрів щорічно. Причина стиснення – взаємне тяжіння частинок Сонця, саме тому ця гіпотеза отримала назвуконтракційної . Якщо зробити розрахунок за цією гіпотезою, то вік Сонця буде не більше 20 мільйонів років, що суперечить сучасним даним, отриманим за аналізом радіоактивного розпаду елементів у геологічних зразках земного ґрунту та ґрунту Місяця.

Третю гіпотезу про можливі джерела енергії Сонця висловив Джеймс Джинс на початку ХХ століття. Він припустив, що у надрах Сонця містяться важкі радіоактивні елементи, які мимоволі розпадаються, у своїй випромінюється енергія. Наприклад, перетворення урану на торій і потім на свинець, супроводжується виділенням енергії. Подальший аналіз цієї гіпотези також показав її неспроможність; зірка, що складається з одного урану, не виділяла б достатньо енергії для забезпечення спостережуваної світності Сонця. Крім того, існують зірки, що за світністю у багато разів перевершують світність нашої зірки. Малоймовірно, що у тих зірках запаси радіоактивної речовини будуть також більшими.

Найімовірнішою гіпотезою виявилася гіпотеза синтезу елементів у результаті ядерних реакцій у надрах зірок.

У 1935 році Ханс Бете висунув гіпотезу, що джерелом сонячної енергії може бути термоядерна реакція перетворення водню на гелій. Саме за це Бете отримав Нобелівську премію 1967 року.

Хімічний склад Сонця приблизно такий самий, як і в більшості інших зірок. Приблизно 75% - це водень, 25% - гелій і менше 1% - всі інші хімічні елементи (в основному вуглець, кисень, азот і т.д.). Відразу після народження Всесвіту "важких" елементів не було зовсім. Усі вони, тобто. елементи важчі за гелій і навіть багато альфа-частинок, утворилися в ході "горіння" водню в зірках при термоядерному синтезі. Характерний час життя зірки типу Сонця десять мільярдів років.

Основне джерело енергії –протон-протонний цикл - дуже повільна реакція (характерний час 7,9 ∙ 10 9 років), оскільки обумовлена слабкою взаємодією. Її суть у тому, що з чотирьох протонів виходить ядро гелію. При цьому виділяються пара позитронів та пара нейтрино, а також 26,7 МеВ енергії. Кількість нейтрино, що випромінюється Сонцем за секунду, визначається лише світністю Сонця. Оскільки при виділенні 26,7 МеВ народжується 2 нейтрино, швидкість випромінювання нейтрино: 1,8∙10 38 нейтрино/с. Пряма перевірка цієї теорії – спостереження сонячних нейтрино. Нейтрино високих енергій (борні) реєструються в хлораргонних експериментах (експерименти Девіса) і стійко показують недолік нейтрино порівняно з теоретичним значенням для стандартної моделі Сонця. Нейтрино низьких енергій, що виникають безпосередньо в рр-реакції, реєструються в галій-германієвих експериментах (GALLEX у Гран Сассо (Італія – Німеччина) та SAGE на Баксані (Росія – США)); їх також "не вистачає".

За деякими припущеннями, якщо нейтрино мають відмінну від нуля масу спокою, можливі осциляції (перетворення) різних сортів нейтрино (ефект Міхєєва – Смирнова – Вольфенштейна) (існує три сорти нейтрино: електронне, мюонне та тауонне нейтрино). Т.к. інші нейтрино мають набагато менші перерізи взаємодії з речовиною, ніж електронне, дефіцит, що спостерігається, може бути пояснений, не змінюючи стандартної моделі Сонця, побудованої на основі всієї сукупності астрономічних даних.

Щосекунди Сонце переробляє близько 600 мільйонів тонн водню. Запасів ядерного палива вистачить ще на п'ять мільярдів років, після чого воно поступово перетвориться на білий карлик.

Центральні частини Сонця стискатимуться, розігріваючись, а тепло, що передається при цьому зовнішній оболонці, призведе до її розширення до розмірів, жахливих у порівнянні з сучасними: Сонце розшириться настільки, що поглине Меркурій, Венеру і витрачатиме "пальне" в сто разів швидше, ніж у час. Це спричинить збільшення розмірів Сонця; наша зірка стане червоним гігантом, розміри якого можна порівняти з відстанню від Землі до Сонця!

Ми, звичайно, заздалегідь буде повідомлено про таку подію, оскільки перехід до нової стадії займе приблизно 100–200 мільйонів років. Коли температура центральної частини Сонця досягне 100 000 000 К, почне згоряти і гелій, перетворюючись на важкі елементи, і Сонце набуде стадії складних циклів стиснення і розширення. На останній стадії наша зірка втратить зовнішню оболонку, центральне ядро матиме неймовірно більшу щільність та розміри, як у Землі. Мине ще кілька мільярдів років, і Сонце охолоне, перетворившись на білий карлик.

2. Керований термоядерний синтез.

Керований термоядерний синтез (УТС) – синтез більш важких атомних ядер із легших із єдиною метою отримання енергії, який, на відміну вибухового термоядерного синтезу (використовується в термоядерному зброї), носить керований характер. Керований термоядерний синтез відрізняється від традиційної ядерної енергетики тим, що в останній використовується реакція розпаду, в ході якої важкі ядер виходять більш легкі ядра. В основних ядерних реакціях, які планується використовувати для здійснення керованого термоядерного синтезу, будуть застосовуватися дейтерій ( 2 H) та тритій (3 H), а в більш віддаленій перспективі гелій-3 ( 3 He) та бор-11 (11 B).

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

До термоядерного пального відносять дейтерій 2 D 1 , тритій 3 Т 1 і 6 Li 3 . Первинним ядерним пальним цього є дейтерій. 6 Li 3 служить сировиною для отримання вторинного термоядерного пального –тритію.

Тритій 3 Т 1 - надважкий водень 3 Н 1 - Отримують при опроміненні природного Li ( 7,52% 6 Li 3 ) нейтронами та альфа-частинками ( 4 α 2 - ядра атома гелію 4 Не 2 ). Як термоядерне паливо використовують дейтерій в суміші з тритієм і 6 Li 3 (у формі LiD та LiТ ). При здійсненні ядерних реакцій синтезу в пальному протікають реакції синтезу ядер гелію (за температури десятки-сотні мільйонів градусів). Нейтрони, що виділяються, поглинаються ядрами 6 Li 3 , при цьому утворюється додаткова кількість тритію за реакцією: 6 Li 3 + 1 п 0 = 3 Т 1 + 4 Не 2 ( у реакції суми масових числі 6+1=3+4 та суми зарядів 3+0=1+2 повинні бути однаковими в обох частинах рівняння). Два ядра дейтерію (важкий водень) дають в результаті реакції синтезу одне ядро тритію (надважкий водень) та протон (ядро атома нормального водню): 2 D 1 + 2 D 1 = 3 Т 1 + 1 Р 1; Реакції може йти і іншим шляхом, з утворенням ядра ізотопу гелію 3 Не 2 та нейтрону 1 п 0 : 2 D 1 + 2 D 1 = 3 Не 2 + 1 п 0 . Тритій вступає в реакцію з дейтерієм, знову виникають нейтрони, здатні взаємодіяти з 6 Li 3: 2 D 1 + 3 Т 1 = 4 Не 2 + 1 п 0 і т.д. Теплотворна здатність термоядерного палива в 5-6 разів вище, ніж у матеріалів, що діляться. Запаси дейтерію у гідросфері становлять порядку 10 13 т . Однак у час практично здійснюються лише некеровані реакції (вибух), широко ведеться пошук методів здійснення керованої термоядерної реакції, що у принципі забезпечити людство енергією на необмежений термін.

3. Переваги термоядерного синтезу

Які ж переваги має термоядерний синтез, порівняно з ядерними реакціями поділу, які дозволяють сподіватися на широкомасштабний розвиток термоядерної енергетики? Основна та принципова відмінність полягає у відсутності довгоживучих радіоактивних відходів, які характерні для ядерних реакторів поділу. І хоча в процесі роботи термоядерного реактора перша стінка активується нейтронами, вибір відповідних низькоактивованих конструкційних матеріалів відкриває принципову можливість створення термоядерного реактора, в якому наведена активність першої стінки знижуватиметься до повністю безпечного рівня за тридцять років після зупинки реактора. Це означає, що реактор, що виробив ресурс, потрібно буде законсервувати всього на 30 років, після чого матеріали можуть бути перероблені і використані в новому реакторі синтезу. Ця ситуація принципово відрізняється від реакторів поділу, які виробляють радіоактивні витрати, що вимагають переробки та зберігання протягом десятків тисяч років. Крім низької радіоактивності, термоядерна енергетика має величезні, практично невичерпні запаси палива та інших необхідних матеріалів, достатніх для виробництва енергії протягом багатьох сотень, якщо не тисячі років.

Саме ці переваги спонукали основні ядерні країни розпочати в середині 50 років широкомасштабні дослідження щодо керованого термоядерного синтезу. У Радянському Союзі та США до цього часу вже було проведено перші успішні випробування водневих бомб, які підтвердили важливу можливість використання енергії ядерного синтезу у земних умовах. З початку стало зрозуміло, що керований термоядерний синтез немає військового застосування. У 1956 р. дослідження було розсекречено і з того часу проводяться в рамках широкого міжнародного співробітництва. Воднева бомба була створена всього за кілька років, і в той час здавалося, що мета близька, і перші великі експериментальні установки, побудовані в кінці 50 років, отримають термоядерну плазму. Однак, потрібно більше 40 років досліджень для того, щоб створити умови, за яких виділення термоядерної потужності порівняно з потужністю нагріву суміші, що реагує. У 1997 р. найбільша термоядерна установка - Європейський ТОКАМАК (JET) отримала 16 МВт термоядерної потужності і впритул підійшла до цього порога.

Що ж стало причиною такої затримки? Виявилося, що для досягнення мети фізикам та інженерам довелося вирішити безліч проблем, про які і не здогадувалися на початку шляху. Протягом цих 40 років була створена наука - фізика плазми, яка дозволила зрозуміти і описати складні фізичні процеси, що відбуваються в суміші, що реагує. Інженерам знадобилося вирішити не менш складні проблеми, у тому числі навчитися створювати глибокий вакуум у великих обсягах, підібрати та випробувати відповідні конструкційні матеріали, розробити великі надпровідні магніти, потужні лазери та джерела рентгенівського випромінювання, розробити імпульсні системи живлення, здатні створювати потужні пучки частинок. розробити методи високочастотного нагрівання суміші та багато іншого.

4. Проблеми керованого термоядерного синтезу

Енергія, що беруть участь у реакції ядер, повинна становити не менше ніж 10 кеВ. Щоб пішов ядерний синтез, що беруть участь у реакції ядра повинні потрапити в поле ядерних сил, радіус дії яких 10-12-10-13 с. Однак атомні ядра мають позитивний електричний заряд, а однойменні заряди відштовхуються. На межі дії ядерних сил енергія кулонівського відштовхування становить величину близько 10 кеВ. Щоб подолати цей бар'єр, ядра при зіткненні повинні мати кінетичну енергію, принаймні не менше за цю величину.
Добуток концентрації реагуючих ядер на час утримання, протягом якого вони зберігають вказану енергію, має бути не менше 1014 см3. Ця умова – так званий критерій Лоусона – визначає межу енергетичної вигідності реакції. Щоб енергія, що виділилася реакції синтезу, хоча б покривала витрати енергії на ініціювання реакції, атомні ядра повинні зазнати багато зіткнень. У кожному зіткненні, у якому відбувається реакція синтезу між дейтерієм (D) і тритієм (Т), виділяється 17,6 МеВ енергії, т. е. приблизно 3.10-12 Дж. Якщо, наприклад, на підпал витрачається енергія 10 МДж, то реакція буде збитковою, якщо в ній візьмуть участь щонайменше 3.1018 пар D-T. А для цього досить щільну плазму високої енергії слід утримувати в реакторі досить довго. Така умова і виражається критерієм Лоусона.

Якщо вдасться одночасно виконати обидві вимоги, проблема керованого термоядерного синтезу буде вирішена.

4.1 Економічні проблеми

Під час створення УТС передбачається, що це буде велика установка, оснащена потужними комп'ютерами. Це буде ціле маленьке місто. Але у разі аварії чи поломки обладнання робота станції буде порушена.

Це не передбачено, наприклад, у сучасних проектах АЕС. Вважається, що головне їх побудувати, а що буде потім не важливо.

Але у разі відмови 1 станції багато міст залишиться без електроенергії. Це можна спостерігати на прикладі АЕС у Вірменії. Вивезення радіоактивних відходів стало дуже дорогим. На вимогу зелених АЕС було закрито. Населення залишилося без електроенергії, обладнання електростанції зносилося, а гроші, виділені міжнародними організаціями на відновлення, були витрачені.

Серйозною економічною проблемою є дезактивація занедбаних виробництв, де здійснювалася переробка урану. Наприклад "у місті Актау - власний маленький "чорнобиль". Він розташований на території хіміко-гідрометалургійного заводу (ХГМЗ). Випромінювання гамма-фону в цеху з переробки урану (ГМЦ) місцями досягає 11000 мікрорентген на годину, середній рівень фону - 200 Звичайний природний фон від 10 до 25 мікрорентгенів на годину) Після зупинки заводу тут взагалі не проводилася дезактивація. з території ХДМЗ.

Тому якщо немає вічних виробництв, у зв'язку з появою нових технологій УТС може бути закрита і тоді предмети, метали з підприємства потраплять на ринок і постраждає місцеве населення.

У системі охолодження УТС використовуватиметься вода. Але за даними екологів, якщо брати статистику щодо АЕС, вода з цих водойм не придатна для пиття.

За даними експертів, водоймище повне важких металів (зокрема, торію-232), і в деяких місцях рівень гамма-випромінювання досягає 50 - 60 мікрорентген на годину.

Тобто зараз, при будівництві АЕС не передбачаються кошти, які повертали б місцевість у початковий стан. І після закриття підприємства ніхто не знає як поховати відходи, що накопичилися, і очистити колишнє підприємство.

4.2 Медичні проблеми

До шкідливих впливів УТС відноситься вироблення мутантів вірусів та бактерій, що виробляють шкідливі речовини. Особливо це стосується вірусів та бактерій, які перебувають у тілі людини. Поява злоякісних пухлин і захворювання на рак, швидше за все, буде поширеним захворюванням жителів селищ, що живуть поряд з УТС. Мешканці завжди більше страждають, оскільки вони не мають жодних засобів захисту. Дозиметри дорогі, а ліки недоступні. Відходи від УТС скидатимуть у річки, стравлюватимуть у повітря чи закачуватимуть у підземні пласти, що відбувається зараз на АЕС.

Крім пошкоджень, що виявляються незабаром після опромінення у великих дозах, іонізуюче випромінювання викликає віддалені наслідки. В основному канцерогенез та генетичні порушення, які можуть виникнути при будь-яких дозах та характері опромінення (разовому, хронічному, локальному).

За повідомленнями від лікарів, які реєстрували захворювання працівників АЕС, спочатку йдуть серцево-судинні захворювання (інфаркти), потім рак. Серцевий м'яз стоншується під дією радіації, ставати в'ялим, менш міцним. Трапляються зовсім незрозумілі захворювання. Наприклад, відмова роботи печінки. Але чому це відбувається, ніхто з лікарів досі не знає. При попаданні радіоактивних речовин при аварії в дихальні шляхи лікарі вирізають пошкоджені тканини легені та трахеї та інвалід ходить з переносним пристроєм, для дихання

5. Термоядерні установки

Вчені нашої країни та більшості розвинених країн світу вже багато років займаються проблемою використання термоядерних реакцій з метою енергетики. Створено унікальні термоядерні установки - найскладніші технічні пристрої, призначені для вивчення можливості отримання колосальної енергії, що виділяється поки що лише під час вибуху водневої бомби. Вчені хочуть навчитися контролювати хід термоядерної реакції - реакції з'єднання важких ядер водню (дейтерію і тритію) з утворенням ядер гелію при високих температурах, - щоб використовувати енергію, що виділяється при цьому, в мирних цілях, на благо людям.

У літрі водопровідної води міститься зовсім небагато дейтерію. Але якщо цей дейтерій зібрати і використовувати як паливо в термоядерній установці, можна отримати енергії стільки, скільки від спалювання майже 300 кілограмів нафти. А для забезпечення енергією, яку зараз отримують при спалюванні звичайного палива, яке видобувається за рік, потрібно було б витягти дейтерій із води, що міститься в кубі зі стороною всього 160 метрів. Одна річка Волга щорічно несе до Каспійського моря близько 60 000 таких кубів води.

Для здійснення термоядерної реакції необхідне дотримання кількох умов. Так, температура у зоні, де відбувається з'єднання важких ядер водню, має становити приблизно 100 мільйонів градусів. За такої величезної температури йдеться вже не про газ, а про плазму. Плазма - це такий стан речовини, коли при високих температурах газу нейтральні атоми втрачають електрони, що їм належать, і перетворюються на позитивні іони. По-іншому, плазма - суміш позитивних іонів і електронів, що вільно рухаються. Друга умова полягає у необхідності підтримувати у зоні реакції щільність плазми не нижче 100 тисяч мільярдів частинок у кубічному сантиметрі. І, нарешті, головне і найважче, - треба утримати перебіг термоядерної реакції хоча б не менше однієї секунди.

Робоча камера термоядерної установки - тороїдальна, схожа на величезний пустотілий бублик. Вона заповнена сумішшю дейтерію та тритію. Усередині самої камери створюється плазмовий виток - провідник, яким пропускають електричний струм силою близько 20 мільйонів ампер.
Електричний струм виконує три важливі функції. По-перше, він створює плазму. По-друге, розігріває її до ста мільйонів градусів. І, нарешті, струм створює навколо себе магнітне поле, тобто оточує плазму магнітними силовими лініями. В принципі силові лінії навколо плазми мали б утримати її у підвішеному стані і не дати плазмі можливість зіткнутися зі стінками камери. Однак утримати плазму у підвішеному стані не так просто. Електричні сили деформують плазмовий провідник, що не має міцності металевого провідника. Він згинається, ударяється об стінку камери та віддає їй свою теплову енергію. Для запобігання цьому поверху тороїдальної камери надягають ще котушки, що створюють в камері поздовжнє магнітне поле, що відтісняє плазмовий провідник від стінок. Тільки цього виявляється мало, оскільки плазмовий провідник зі струмом прагне розтягнутися, збільшити свій діаметр. Утримати плазмовий провідник від розширення покликане магнітне поле, яке створюється автоматично, без сторонніх зовнішніх сил. Плазмовий провідник поміщають разом з тороїдальною камерою ще одну камеру більшого розміру, зроблену з немагнітного матеріалу, зазвичай міді. Як тільки плазмовий провідник робить спробу відхилитися від положення рівноваги, у мідній оболонці згідно із законом електромагнітної індукції виникає індукційний струм, зворотний у напрямку струму в плазмі. В результаті з'являється сила, що протидіє, що відштовхує плазму від стінок камери.
Утримувати плазму від зіткнення зі стінками камери магнітним полем запропонував 1949 року А.Д. Сахаров, а трохи згодом американець Дж. Спітцер.

У фізиці заведено давати назви кожному новому типу експериментальних установок. Споруда з такою системою обмоток називається токамаком - скорочення від «тороїдальна камера та магнітна котушка».

У 1970-і роки в СРСР було збудовано термоядерну установку, названу «Токамак-10». Її розробили Інститут атомної енергії ім. І.В. Курчатова. На цій установці отримали температуру плазмового провідника 10 мільйонів градусів, щільність плазми не нижче 100 тисяч мільярдів частинок у кубічному сантиметрі та час утримання плазми близько 0,5 секунди. Найбільша на сьогодні в нашій країні установка "Токамак-15" також побудована в московському науковому центрі "Курчатівський інститут".

Всі створені термоядерні установки поки що споживають енергію на розігрів плазми і створення магнітних полів. Термоядерна установка майбутнього повинна, навпаки, виділяти стільки енергії, щоб невелику її частину можна було використовувати для підтримки термоядерної реакції, тобто підігріву плазми, створення магнітних полів та живлення багатьох допоміжних пристроїв та приладів, а основну частину - віддавати для споживання електричної мережі.

У 1997 році у Великобританії на токамаку JET досягли збігу вкладеної та отриманої енергії. Хоча й цього, звісно, недостатньо для самопідтримання процесу: до 80 відсотків отриманої енергії губиться. Для того, щоб реактор працював, необхідно виробляти енергії в п'ять разів більше, ніж витрачається на нагрівання плазми та створення магнітних полів.
У 1986 році країни Європейського союзу разом із СРСР, США та Японією вирішили спільними зусиллями розробити та побудувати до 2010 року досить великий токамак, здатний виробляти енергію не лише для підтримки термоядерного синтезу в плазмі, але й для отримання корисної електричної потужності. Цей реактор назвали ITER, абревіатура від – «міжнародний термоядерний експериментальний реактор». До 1998 року вдалося завершити проектні розрахунки, але через відмову американців до конструкції реактора довелося вносити зміни, щоб зменшити його вартість.

Можна дозволити частинкам рухатися природним чином, а камері надати форму, що повторює їх траєкторію. Камера тоді має досить химерний вигляд. Вона повторює форму плазмового шнура, що у магнітному полі зовнішніх котушок складної конфігурації. Магнітне поле створюють зовнішні котушки набагато складнішої конфігурації, ніж у токамаку. Пристрої такого роду називають стелараторами. У нашій країні збудовано торсатрон «Ураган-3М». Цей експериментальний стеларатор розрахований на утримання плазми, нагрітої до десяти мільйонів градусів.

Нині у токамаків з'явилися й інші серйозні конкуренти, які використовують інерційний термоядерний синтез. У цьому випадку кілька міліграмів дейтерій-тритієвої суміші укладають у капсулу діаметром 1-2 міліметри. На капсулі фокусують імпульсне випромінювання кількох десятків потужних лазерів. В результаті капсула миттєво випаровується. У випромінювання треба вкласти 2 МДж енергії за 5-10 наносекунд. Тоді світлове тиск стисне суміш настільки, що може піти реакція термоядерного синтезу. Енергія, що виділилася при вибуху, за потужністю еквівалентного вибуху ста кілограмів тротилу, буде перетворюватися на більш зручну для використання форму - наприклад в електричну. Однак будівництво стелараторів та установок інерційного синтезу також наштовхується на серйозні технічні труднощі. Ймовірно, практичне використання термоядерної енергії – питання не найближчого майбутнього.

6. Перспективи освоєння термоядерного синтезу

Як важливе завдання для атомної галузі, на довгострокову перспективу є вихід на освоєння технологій керованого термоядерного синтезу як основи енергетики майбутнього. В даний час у всьому світі приймаються стратегічні рішення щодо розвитку та освоєння нових джерел енергії. Необхідність розробки таких джерел пов'язана з очікуваним дефіцитом виробництва енергії та обмеженістю паливних ресурсів. Одним із найперспективніших інноваційних джерел енергії є керований термоядерний синтез (УТС). Енергія синтезу виділяється при злитті ядер важких ізотопів водню. Паливом для термоядерного реактора є вода і літій, запаси яких практично не обмежені. У земних умовах реалізація УТС представляє складне науково-технологічне завдання, пов'язане з отриманням температури речовини понад 100 мільйонів градусів та термоізоляцією області синтезу від стінок реактора.

Термоядерний синтез – це довгостроковий проект, створення комерційної установки очікується до 2040-2050 року. Найімовірніший сценарій оволодіння термоядерною енергією передбачає реалізацію трьох етапів:
- Освоєння режимів тривалого горіння термоядерної реакції;
- Демонстрація виробництва електроенергії;
- Створення промислових термоядерних станцій.

У рамках міжнародного проекту ІТЕР (міжнародний термоядерний експериментальний реактор) передбачається продемонструвати технічну можливість утримання плазми та отримання енергії.Основна програмна мета проекту ІТЕР полягає у демонстрації наукової та технічної можливості отримання енергії за рахунок реакцій синтезу (злиття) ізотопів водню – дейтерію та тритію. Проектна термоядерна потужність реактора ІТЕР складе близько 500 МВт при температурі плазми 100 млн. градусів.
У листопаді 2006 року всіма учасниками проекту ІТЕР - Європейським союзом, Росією, Японією, США, Китаєм, Кореєю та Індією підписано Угоди про створення Міжнародної організації ІТЕР з термоядерної енергії для спільної реалізації проекту ІТЕР. Етап спорудження реактора розпочався з 2007 року.

Участь Росії у проекті ІТЕР полягає у розробці, виготовленні та поставці на майданчик спорудження реактора (м. Кадараш, Франція) основного технологічного обладнання та внесення грошового внеску, що становлять загалом близько 10% від повної вартості спорудження реактора. Така ж частка вкладу США, Китаю, Індії, Кореї та Японії.
Дорожня карта оволодіння енергією керованого термоядерного синтезу

2000 рік (сучасний рівень):
Завдання, що вирішуються: досягнення рівності витрат і вироблення енергії
Останнє покоління токамаків дозволило наблизитися до здійснення керованого термоядерного горіння з великим виділенням енергії.
Потужність реакцій термоядерного синтезу досягла рівня 17 МВт (установка JET, ЄС), що можна порівняти з вкладеною в плазму потужністю.
2020 рік:

Завдання, що вирішуються в проекті ІТЕР: тривала реакція, освоєння та інтеграція термоядерних технологій.

Мета проекту ІТЕР - досягнення контрольованого запалення термоядерної реакції та її тривалого горіння при десятикратному перевищенні термоядерної потужності над потужністю ініціювання реакції синтезу Q³10.

2030 рік:
Вирішуване завдання: спорудження демонстраційної станції ДЕМО (ОТЕ)
Вибір оптимальних матеріалів та технологій для ОТЕ, виконано проектування, будівництво та пускові випробування дослідної термоядерної електростанції в рамках проекту ДЕМО, завершено концептуальне проектування ПТЕ.
2050 рік
Завдання, що вирішуються: проектування та спорудження ПТЕ, завершення випробувань технологій генерації електричної потужності на ДЕМО.
Створення енергетичної промислової станції з високим запасом безпеки та прийнятними економічними показниками вартості енергії.
Людство отримає у свої руки невичерпне, екологічно та економічно прийнятне джерело енергії.В основі проекту термоядерного реактора покладено системи з магнітним утриманням плазми типу «Токамак», вперше розроблені та реалізовані в СРСР. У 1968 році на токамаку Т-3 було досягнуто температури плазми в 10 млн. градусів. З цього часу установки «Токамак» стали провідним напрямком у дослідженнях з термоядерного синтезу у всіх країнах.

В даний час у Росії експлуатуються токамаки Т-10 і Т-15 (РНЦ «Курчатовський інститут»), Т-11М (ФГУП ДНЦ РФ ТРІНІТІ, Троїцьк, Московська область), Глобус-М, ФТ-2, Туман-3 (Фізико -Технічний інститут ім. А.Ф.

Висновок

На основі проведених досліджень можна зробити такі висновки:

Термоядерний синтез - найбільш раціональний, екологічний нешкідливий і дешевий спосіб отримання енергії, за кількістю тепла, що отримується, незрівнянний з природними джерелами, використовуваними людиною в даний момент. Безумовно, процес освоєння термоядерного синтезу вирішив багато проблем людства, як у теперішньому, і у майбутньому.

У майбутньому термоядерний синтез дозволить подолати ще одну "кризу людства", а саме перенаселення Землі. Не секрет, що розвиток земної цивілізації передбачає постійне та стійке зростання населення планети, тому питання освоєння "нових територій", іншими словами, колонізація сусідніх планет Сонячної системи для створення постійних поселень - питання вже зовсім недалекого майбутнього.

Література

А. П. Баскаков. Теплотехніка / - М: Енергоатоміздат, 1991
Ст І. Крутов. Теплотехніка / - М: Машинобудування, 1986
К. В. Тихомиров. Теплотехніка, теплогазопостачання та вентиляція - М.: Будвидав, 1991
В. П. Преображенський. Теплотехнічні виміри та прилади - М.: Енергія, 1978
Jeffrey P. Freidberg. Plasma Physics and Fusion Energy/ - Cambridge University Press, 2007.
http://www.college.ru./astronomy- Астрономія
http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm Термоядерний синтез на Сонці – нова версія Володимир Власов

Попередній перегляд:

Щоб скористатися попереднім переглядом презентацій, створіть собі обліковий запис Google і увійдіть до нього: https://accounts.google.com

Підписи до слайдів:

Термоядерний синтез

ПОНЯТТЯ Це різновид ядерної реакції, коли він легкі атомні ядра об'єднуються у більш важкі з допомогою кінетичної енергії їх теплового руху.

ОТРИМАННЯ ЕНЕРГІЇ

РІВНЯННЯ РЕАКЦІЇ З ОСВІТОЮ HE ⁴

Термоядерна реакція на сонці

Керований термоядерний синтез

ТОРОЇДАЛЬНА КАМЕРА З МАГНІТНИМИ КОТУШКАМИ (ТОКАМАК)

НЕОБХІДНІСТЬ ОСВОЄННЯ ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗУ

Вилучення ядерної енергії полягає в тому фундаментальному факті, що ядра хімічних елементів із середини таблиці Менделєєва упаковані щільно, а, по краях таблиці, тобто. найлегші та найважчі ядра – менш щільно. Найбільш щільно упаковані ядра заліза та його сусіди за періодичною системою. Тому ми виграємо енергію у двох випадках: коли ми ділимо важкі ядра на дрібніші уламки, і коли ми склеюємо легкі ядра у більші.

Відповідно, енергію можна отримувати двома способами: у ядерних реакціях поділуважких елементів - урану, плутонію, торію або в ядерних реакціях синтезу(злипання) легких елементів - водню, літію, берилію та їх ізотопів. У природі, у природних умовах реалізуються обидва типи реакцій. Реакції синтезу йдуть у всіх зірках, включаючи сонце, і є майже єдиним вихідним джерелом енергії Землі – якщо безпосередньо через сонячне світло, то опосередковано – через нафту, вугілля, газ, воду і вітер. Природна реакція поділу мала місце на Землі близько 2 мільярдів років тому на території нинішнього Габону в Африці: там випадково зібралося багато урану в одному місці, і протягом 100 мільйонів років працював природний ядерний реактор! Потім концентрація урану зменшилася, і природний реактор затих.

У середині XX століття людство почало штучне освоєння гігантської енергії, укладеної в ядрах. Атомна бомба (урана, плутонієва) «працює» на реакції поділу, воднева бомба (яка зовсім не з водню, але називається так) - на реакції синтезу. У бомбі реакції йдуть одну мить і мають вибуховий характер. Можна зменшити інтенсивність ядерних реакцій, розтягнути їх у часі та використовувати їх розумно як кероване джерело енергії. У світі побудовано багато сотень ядерних реакторів різного типу, де йдуть реакції поділу, і «спалюються» важкі елементи – уран, торій чи плутоній. Виникла також завдання зробити керованою реакцію синтезу, щоб і вона служила джерелом енергії.

На здійснення керованої реакції поділу людству знадобилося лише кілька років. Однак керована реакція синтезу виявилася набагато важчим завданням, з яким до кінця ще не впоралися. Справа в тому, що для того, щоб два легкі ядра, наприклад, дейтерію і тритію, могли злитися, їм треба подолати великий потенційний бар'єр.

Найбільш прямолінійний спосіб досягти цього – розігнати два легкі ядра до високої енергії, так щоб вони самі проскочили бар'єр. Це має на увазі, що суміш дейтерію і тритію повинна бути розігріта до дуже високої температури – близько 100 млн. градусів! За такої температури суміш, зрозуміло, іонізована, тобто. є плазмою. Плазму утримують у посудині у формі бублика магнітним полем складної конфігурації та розігрівають. Ця установка, винахід І.Є.Тамма, А.Д.Сахарова, Л.А.Арцимовича та ін, називається «токамак». Головна проблема тут – досягти стабільності дуже гарячої плазми, щоб вона не висадилася на стінки судини. Це вимагає великих розмірів установки і, відповідно, дуже сильних магнітних полів у великому обсязі. Принципових труднощів тут майже немає, але є безліч технічних проблем, які поки що не вирішені.

Нещодавно почали будувати міжнародну установку ІТЕР у районі Екс-ан-Провансу у Франції. У проекті бере активну участь і Росія, вносячи 1/11 фінансування. До 2018 року міжнародний токамак має заробити та продемонструвати принципову можливість генерації енергії за рахунок термоядерної реакції синтезу

де d- Ядро дейтерію (один протон і один нейтрон), t– ядро тритію (один протон і два нейтрони), He- Ядро гелію (два протона і два нейтрони), n- нейтрон, що народжується в результаті реакції, а «17.6 МеВ» - енергій мега-електрон-вольтах, що виділяється в одиничній реакції. Ця енергія в десятки мільйонів разів більша за ту, що виділяється при хімічних реакціях, наприклад при горінні органічного палива.

Тут «паливом», як бачимо, служить суміш дейтерію і тритію. Дейтерій («важка вода») міститься у вигляді малої домішки у будь-якій воді, і технічно виділити його нескладно. Запаси його справді не обмежені. Тритій у природі не зустрічається, оскільки він радіоактивний і розпадається за 12 років. Стандартний спосіб отримання тритію – з літію шляхом бомбардування його нейтронами. Передбачається, що в ІТЕР буде потрібна тільки мала «затравка» тритію для запуску реакції, а далі він буде напрацьовуватися сам собою рахунок бомбардування нейтронами з реакції (1) літієвого «бланкету», тобто. «ковдри», оболонки токамака. Тому фактично паливом є літій. У земній корі його теж багато, але не можна сказати, що літію необмежену кількість: якби вся енергія у світі вироблялася сьогодні за рахунок реакції (1), розвіданих родовищ необхідного для цього літію вистачило б на 1000 років. Приблизно на стільки ж років вистачить розвіданого урану та торію, якщо виробляти енергію у звичайних ядерних котлах.

Так чи інакше, термоядерну реакцію синтезу (1), що самопідтримується, на сучасному рівні науки і техніки реалізувати, мабуть, можна, і є надія, що це буде успішно продемонстровано років через десять на установці ІТЕР. Це дуже цікавий проект і в науковому, і в технологічному плані, і добре, що наша країна бере участь у ньому. Тим більше, що це той не надто частий випадок, коли Росія не тільки перебуває на світовому рівні, але багато в чому ставить цей світовий рівень.

Питання в іншому – чи може "термояд" служити основою для промислового отримання "чистої" та "необмеженої" енергії, як стверджують ентузіасти проекту. Відповідь, мабуть, негативна, і ось чому.

Справа в тому, що нейтрони, що утворюються при синтезі (1), самі по собі набагато цінніші, ніж та енергія, яка при цьому виділяється.

Але чайники гріти на нейтронах - розбій,

І тут ми дамо марнотратникам бій:

Укриємо активну зону

Урановим бланкетом – вона!

(з «Балади про мюонний каталіз», Ю.Докшицер та Д.Дьяконов, 1978)

Дійсно, якщо обкласти поверхню токамака товстим «бланкетом» із звичайного природного урану-238, то під дією швидкого нейтрону з реакції (1), ядро урану розщеплюється з виділенням додаткової енергії близько 200 МеВ. Звернімо увагу на числа:

Реакція синтезу (1) дає енергію 17,6 МеВ у токомаці плюс нейтрон

Подальша реакція поділу в урановому бланкеті дає близько 200 МеВ.

Таким чином, якщо ми вже побудували складну термоядерну установку, то порівняно проста добавка до нього у вигляді уранового бланкета дозволяє збільшити виробництво енергії в 12 разів!

Примітно, що уран-238 у бланкеті має бути дуже чистим чи збагаченим: навпаки, годиться і збіднений уран, якого залишається багато у відвалах після збагачення, і навіть відпрацьоване ядерне паливо із звичайних теплових атомних станцій. Замість того, щоб ховати відпрацьоване паливо, можна з великою користю використати його в урановому бланкеті.

Насправді ефективність збільшується ще більше, якщо врахувати, що швидкий нейтрон, потрапляючи в урановий бланкет, викликає багато різноманітних реакцій, в результаті яких, крім виділення 200 МеВ енергії, утворюється ще кілька ядер плутонію. Таким чином, урановий бланкет є ще й потужним виробником нового ядерного палива. Плутоній можна потім спалити на звичайній тепловій атомній станції, з ефективним виділенням ще приблизно 340 МеВ на кожне ядро плутонію.

Навіть з урахуванням того, що один з додаткових нейтронів треба використовувати на відтворення паливного тритію, додавання до токамаку уранового бланкета та кількох звичайних атомних станцій, які «живляться» плутонією з цього бланкета, дозволяє збільшити енергоефективність токамака щонайменше раз на двадцять п'ять, а за деякими оцінками – у п'ятдесят разів! Це все – порівняно проста та відпрацьована технологія. Зрозуміло, що жодна розсудлива людина, жодний уряд, жодна комерційна організація не прогавить такої можливості багаторазово підвищити ефективність виробництва енергії.

Якщо справа дійде до промислового виробництва, то термоядерний синтез на токомаку буде по суті лише «затравкою», лише джерелом дорогоцінних нейтронів, а 96% енергії все одно буде вироблятися в реакціях поділу, і основним паливом відповідно буде уран-238. «Чистої» термоотрути, таким чином, не буде ніколи.

Більше того, якщо найбільш складна, дорога і найменш відпрацьована частина цього ланцюжка – термоядерний синтез – виробляє менше 4% від остаточної потужності, то виникає природне питання, а чи потрібна взагалі ця ланка? Можливо, існують дешевші та ефективніші джерела нейтронів?

Можливо, що в недалекому майбутньому буде придумано щось зовсім нове, але вже зараз є напрацювання, як замість термоотрути використовувати інші джерела нейтронів, щоб безперешкодно спалювати природний уран-238 або торій. Маються на увазі

Реактори-розмножувачі (бридери) на швидких нейтронах

(Другий пункт недавньої саровської програми)

Електроядерний бридінг

Ядерний синтез за невисокої температури за допомогою мюонного каталізу.

Кожен метод має свої складності і свої переваги, і кожен гідний окремої розповіді. На окрему розмову заслуговує також ядерний цикл, заснований на торії, що особливо актуально для нас, оскільки в Росії торія більше, ніж урану. Індія, де схожа ситуація, вже обрала торій як основу своєї майбутньої енергетики. Багато людей і в нашій країні схиляються до того, що торієвий цикл – найбільш економічний та безпечний метод виробництва енергії практично у необмеженій кількості.

Зараз Росія стоїть на роздоріжжі: треба вибрати стратегію розвитку енергетики на багато десятиліть уперед. Для вибору оптимальної стратегії необхідне відкрите та критичне обговорення науковою та інженерною спільнотою всіх аспектів програми.

Ця замітка присвячується пам'яті Юрія Вікторовича Петрова (1928-2007), чудового вченого та людини, доктора фіз.-мат. наук, завідувача сектору Петербурзького інституту ядерної фізики РАН, який навчив автора того, що тут написано.

Ю.В.Петров, Гібридні ядерні реактори та мюонний каталіз, у збірнику «Ядерна та термоядерна енергетика майбутнього», М., Вища школа (1987), с. 172.

С.С.Герштейн, Ю.В.Петров та Л.І.Пономарев, Мюонний каталіз та ядерний бридинг,Успіхи фізичних наук, т. 160, с. 3 (1990).

На знімку: Ю.В Петров (праворуч) та лауреат Нобелівської премії з фізики Ж.т Хофт, фото Д.Дьяконова (1998).