Журнал «Вокруг Света» №10 за 2008 год
Шрифт:
D + T [?]> 4He + n.
Продукты реакции — ядро гелия-4 (4He) и нейтрон (n) — приобретают энергию соответственно 3,5 и 14,1 миллиона электронвольт (1 эВ = 1,6 .10–19 Дж). Для сравнения: при температуре в 100 миллионов градусов ядра, вступающие в реакцию, имеют энергию, эквивалентную всего лишь 10 000 электронвольт. Так что энергетический выигрыш получается огромный.
Итак, нам нужны дейтерий и тритий. Дейтерий можно добывать из воды, а вот с тритием проблема — он неустойчив, и период его полураспада составляет всего лишь 12 лет. Поэтому на Земле трития практически нет, и его придется создавать искусственно, облучая нейтронами литий. Это можно делать прямо в стенках реактора за счет нейтронов, выделяющихся в процессе термоядерного синтеза. Разведанных запасов лития на суше около 11 миллионов тонн — достаточно, чтобы 3000 лет поддерживать современный уровень производства энергии на Земле. Конечно, литий нужен и для других целей, но при необходимости его можно извлекать из морской воды — там его запасы в 20 000 раз больше. Так что проблем с обеспечением термоядерной
Струи солнечной плазмы движутся по дугам вдоль силовых линий магнитного поля. Фото: NASA/TRACE
Четвертое состояние вещества
При нагревании все вещества сначала плавятся, потом испаряются и, наконец, переходят в состояние плазмы: молекулы распадаются на атомы, атомы ионизируются, и образуется смесь положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Движение заряженных частиц порождают электрические и магнитные поля, которые влияют на траектории соседних частиц. Поэтому частицы в плазме двигаются согласованно, что отличает ее от обычного газа из электрически нейтральных молекул и делает поведение плазмы чрезвычайно сложным.
Проблема с нейтронами
Однако, помогая получать тритий, нейтроны одновременно создают ряд технических проблем. Во-первых, они вызывают в стенках реактора наведенную радиоактивность. И хотя она в сотни раз меньше, чем в продуктах деления урана на обычных АЭС, требуется тщательно подбирать состав материалов для камеры реактора и контролировать содержание в них примесей, чтобы избежать рождения опасных медленно распадающихся радиоактивных ядер.
Кроме того, нейтронное облучение снижает прочность конструкционных материалов. Энергичные нейтроны выбивают атомы из кристаллической решетки и образуют в твердом теле множество микроскопических каналов. Материал становится рыхлым. Прочность его резко падает. Так что стенки реактора, подверженные облучению нейтронами, придется периодически заменять. Делать это должны специально сконструированные роботы.
Избавиться от нейтронов и связанных с ними проблем позволяют другие термоядерные реакции. Например, если вместо трития использовать легкий изотоп гелия (3He) то ни среди исходных веществ, ни среди продуктов реакции не будет ничего радиоактивного:
D + 3He -> 4He + H.
Правда, небольшое число нейтронов будет все-таки рождаться при взаимодействии между ядрами дейтерия. Возможно, в будущем именно эта реакция станет
основой термоядерной энергетики. Но для нее нужна почти в 10 раз более высокая температура, которой пока еще никто не достиг. К тому же гелия-3 на Земле практически нет — считанные килограммы в год выделяются из природного газа некоторых месторождений. Добывать его можно на Луне, куда он попадает в составе солнечного ветра и накапливается в верхних слоях грунта. Завоз на Луну горнодобывающей техники, строительство поселка для рабочих, производство ракет для доставки гелия на Землю — все это окупается стоимостью электроэнергии! Так что проект вполне реалистичен. Но первый реактор и первые термоядерные электростанции будут все-таки использовать реакцию дейтерия с тритием.
Ну и в совсем уж далекой перспективе можно думать об использовании идеально чистой реакции бора с водородом:
11B + 1Н-> 3 4He.
Но для этого нужно уметь получать еще более высокую температуру.
Первая попытка
В 1951 году Сталин подписал постановление о начале работ по созданию термоядерной электростанции. Тогда казалось, что не так уж сложно заставить термоядерную реакцию, уже реализованную в водородной бомбе, протекать с гораздо меньшей скоростью. На это было отпущено всего два года, и назначена премия за успешный запуск термоядерного реактора. За короткое время были построены установки, в которых в газообразном дейтерии токами в сотни тысяч и миллионы ампер возбуждался разряд и получался очень похожий на молнию ярко светящийся шнур. Магнитное поле электрического тока сжимало шнур в тонкую нить, и по замыслу экспериментаторов в момент наибольшего сжатия могла получиться температура, необходимая для начала термоядерной реакции. Поэтому рядом с разрядом установили нейтронные счетчики, которые должны были зафиксировать этот момент. И они зафиксировали! Казалось, путь к термоядерной энергии открыт. А потом наступило разочарование. Выяснилось, что температура не доходит и до одного миллиона градусов, а наличие нейтронов вызвано побочными эффектами, не связанными с термоядерными реакциями. Результатом этих первых экспериментов стало осознание всей сложности проблемы управляемого термоядерного синтеза и истинного объема работы, которую предстояло сделать.
Взрывная камера создаваемой в России установки инерционного термоядерного синтеза «ИСКРА-6». Со всех сторон в камеру будет вводиться 128 лучей, генерируемых фиолетовым лазером на стекле с неодимом. Импульс длительностью 3 нс будет нести энергию 300 кДж, длина волны лазера — 350 нм. На сегодня уже построены и используются в экспериментах четыре лазерных канала (установка «Луч») с энергией в импульсе 12 кДж. Фото: SPL/EAST NEWS
Горение или взрыв?
Из трех ключевых параметров термоядерного синтеза — температуры, плотности и времени удержания плазмы — один, температура, фактически задается выбранной реакцией. А вот соотношение двух других можно варьировать. Соответственно есть два основных пути: либо выбрать относительно низкую плотность топлива и продолжительное время удержания, либо, наоборот, максимально возможную плотность при очень небольшой продолжительности реакции.
На первом пути наибольших успехов удалось добиться, изолируя горячую плазму от контакта с холодными стенками реактора с помощью магнитного поля. Это технология магнитного удержания. Она основана на способности магнитного поля оказывать давление на плазму и снижать ее теплопроводность. Современные сверхпроводящие электромагниты могут поддерживать в большом объеме магнитное поле напряженностью 5—6 тесла, создающее давление около 100 атмосфер. Опыт показывает, что для надежного удержания давление плазмы не должно превышать нескольких процентов от этой величины. При температуре в 100 миллионов градусов это соответствует концентрации около 1020 частиц на кубометр. Это примерно в 200 000 раз меньше плотности воздуха — по существу высокий вакуум. Для получения положительного выхода энергии такую плазму нужно удерживать несколько секунд. В проекте строящегося сейчас первого термоядерного реактора ИТЭР заложены как раз такие параметры: давление магнитного поля 120 атмосфер, давление плазмы — около 3 атмосфер, время удержания — 3—4 секунды. За это время, характеризующее скорость потери частиц и тепла, прореагирует большая часть содержащегося в камере топлива. Если непрерывно компенсировать эти потери и одновременно удалять продукт реакции — гелий, разряд можно поддерживать значительно дольше. В ИТЭР поначалу он будет длиться несколько минут, а позднее его попробуют приблизить к часу.
Второй подход реализован пока только в термоядерной бомбе. Топливо здесь имеет плотность твердого тела, а то и еще выше — за счет сжатия при срабатывании запала в виде атомной бомбы. Давление такой плазмы составляет миллионы атмосфер, и противостоять ему, конечно, невозможно. Но выиграть какое-то время позволяют силы инерции — даже при огромном давлении расширение вещества не может произойти мгновенно. Такой способ удержания называют инерционным, поскольку кроме инерции плазму ничто не удерживает. Она разлетается со скоростью звука, которая при температуре 100 миллионов градусов составляет около 600 км/с. За 5 миллиардных долей секунды плазма расширится на 3 миллиметра. Как раз такого размера термоядерные заряды можно безопасно взрывать в камере реактора в виде прочной сферы диаметром метров 10. Энергия подобного «микровзрыва» составит около миллиарда джоулей, или 250 килограммов тротила. Если взрывы повторять 5 раз в секунду, то с учетом КПД преобразования энергии электрическая мощность реактора получится около 1 миллиона киловатт.
Стелларатор Wendelstein 7-X, Германия. Монтируется одна из 50 магнитных катушек. Фото: IPP GREIFSWALD/EFDA JET
Самоподдерживающаяся реакция
Чтобы запустить термоядерный синтез, плазму нужно нагреть. Но когда реакция уже началась, она сама может помочь в поддержании нужной температуры. В реакции дейтерия с тритием 80% выделяющейся энергии уносит нейтрон, а 20% — ядро гелия. Чтобы использовать энергию нейтронов, термоядерный реактор окружают специальной стенкой — бланкетом, содержащим замедлители нейтронов и каналы с охлаждающей жидкостью. Эта энергия передается водяному пару и преобразуется в электричество. Но в подогреве плазмы нейтроны участия не принимают. Зато 20% энергии, приходящейся на долю ядра гелия, использовать для этого можно. Благодаря электрическому заряду ядро гелия в столкновениях с электронами и ядрами дейтерия и трития отдает им свою энергию. Если еще наложить магнитное поле, чтобы замедлить уход ядер гелия, их энергия пойдет на нагрев плазмы почти полностью. Тогда реакция сможет поддерживать себя сама, а источники тепла, которые использовались для первоначального нагрева плазмы до зажигания, можно будет выключить.
Лазерное зажигание
Однако чтобы микровзрыв произошел, надо успеть за миллиардные доли секунды нагреть топливный шарик до термоядерной температуры. Сделать это можно с помощью мощных лазеров. Такие эксперименты проводятся уже около 30 лет. В лабораториях России, Франции, Японии, США построены лазеры с энергией до 20 000 джоулей. А в 2009 году в США должна заработать самая мощная лазерная установка NIF с энергией импульса до 1,8 миллиона джоулей.
Лазерные лучи со всех сторон направляют на мишень, содержащую термоядерное топливо. Это смесь дейтерия с тритием, охлажденная ниже температуры плавления водорода, то есть примерно до 10 градусов Кельвина (–263 °C). Под действием светового давления и реактивной силы от испаряющегося с поверхности вещества происходит одновременно сильное сжатие и нагрев мишени. Расчеты показывают, что если достичь плотности в 1000 раз выше плотности твердого водорода, то одного миллиона джоулей будет достаточно для поджига термоядерной реакции. Но пока в экспериментальных установках плотность возрастает лишь в 30—40 раз. Основное препятствие — недостаточная равномерность освещения мишени. Даже небольшие (в несколько процентов) различия скорости сжатия по разным направлениям приводят к деформации мишени, и плазма буквально просачивается между лазерными пучками.