Первичные источники питания

Значит, роль термоядерной реакции, как возможного источника огромных количеств энергии, была осознана давно. Какие же трудности стояли и стоят на пути к овладению этим источником? Появление новой энергии.

Главная причина устойчивости звёздных термоядерных реакций — громадные размеры реакторов, да и времена циклов реакций исчисляются миллионами лет. Как же в наших ограниченных масштабах сотворить подобное? В 1945 году на далёком Сахалине у учащегося вечерней средней школы Олега Лаврентьева блеснула дерзновенная идея, которая сулила создание искусственного земного солнца. Как писал сам Олег Александрович, он “сформулировал принцип тепловой изоляции электрическим полем полностью ионизированного газа с целью промышленной утилизации термоядерных реакций” и не долго думая направил предложение прямо в адрес И.В.Сталина.

Письмо осталось без ответа, но повторное предложение в ЦК ВКП(б) сработало мгновенно. В 1954 году эта идея, оказавшаяся весьма плодотворной, была воплощена в Институте атомной энергии (ИЭА). Появилась первая исследовательская термоядерная установка токомак.

Впоследствии А.Д.Сахаров, уже академик, засвидетельствовал: “Подтверждаю, что в июне или июле 1950 г. я рецензировал работу О.А.Лаврентьева... Ознакомление с работой Лаврентьева послужило толчком, способствующим ускорению моей совместной с И.Е.Таммом работы по магнитной термоизоляции высокотемпературной плазмы”. Но действительность оказалась сложнее.

Выяснилось, что в тороидальном поле частицы за каждый оборот будут смещаться из области более сильной напряжённости (внутренний периметр тороида) в область слабой напряжённости (внешний периметр) и вся плазма “вывалится” на внешнюю стенку, не успев разогреться до термоядерных температур.

Правда, выход быстро нашли: для удержания плазмы в равновесии силовые линии её магнитного поля надо завить по спирали.

Двадцать лет спустя эта работа сыграла историческую роль и стала оной из основ теории токамаков. В 1969 году на международной конференции в Дубне было объявлено, что в плазме токамака Т-3 достигнута фантастическая для того времени температура- 7-10 млн. градусов.

Началось всемирное “обращение в токамаки”. Сейчас на токамаках, кроме России, работают в США, Великобритании, Франции, ФРГ, Италии, Японии, Китае, Австралии, Ливии, Венгрии и других странах.

Оказалось, что в замкнутых магнитных системах положения классической теории парных столкновений частиц плазмы, на которую тогда опирались учёные, не выполняются. А в 1965 году известные советские физики Р.З.Садеев, А.А.Галеев и Л.М.Коврижных создали новую теорию, за что впоследствии были удостоены Ленинской премии . Условия управляемого ядерного синтеза. В энергетически выгодных термоядерных реакциях участвуют прежде всего изотопы водорода-дейтерий (Д) и тритий (Т). При этом из двух реакций Д+Д и Д+Т последняя в сто раз эффективнее, и во всех современных установках пытаются осуществить именно её. При слиянии ядер дейтерия и трития образуется нестабильное ядро, которое быстро распадается на альфа-частицу (ядро гелия-4) с энергией 3,5 МэВ и нейрон с энергией 14,1 МэВ (то есть 20 % и 80 % общей энергии соответственно): Д+Т ® 4 Не ++ (3,5 МэВ)+n(14,1 МэВ). Дело осложняется тем, что “готового” трития в природе почти нет. Но выход найден: этот изотоп производится в самом реакторе из лития. Таким образом, в термоядерных реакциях, в том числе в токамаках, будет, по существу, “сжигаться” литий, один грамм которого в этом случае соответствует тонне условного топлива. А доступные запасы лития на Земле на три порядка превосходят запасы органического топлива, причём добывать литий сравнительно несложно. Для получения полезной энергии в реакциях ядерного синтеза надо последовательно достичь двух пороговых условий: “зажигания” реакции, то есть положительного энергобаланса, и самостоятельного, самоподдерживающегося синтеза, уже не требующего внешнего “подогрева”. Кроме того, необходима определённая плотность и время существования плазмы при данной температуре. В 1957 году английский физик Дж.Лоусон вывел соответствующий критерий: произведение плотности плазмы n (число частиц в кубическом метре её объёма) на время существования t (измеряемое в секундах) при температуре Т=10 8 К должно быть не менее 2*10 20 с/м 3 . В этих условиях энергобаланс термоядерной реакции будет положительным, то есть общий выход энергии превысит энергозатраты на нагрев. Но достижение первого порогового условия -зажиганияещё не обеспечивает второго, то есть самоподдержания реакции. Вся надежда лишь на заряженные ядра гелия. Чтобы они удержались в зоне реакции, а их энергии хватило на её самоподдержание, магнитное поле должно иметь определённую напряженность В, а плазмаопределённый объём V. Произведение этих двух величин BV называется фактором удержания, который и характеризует степень самообеспеченности реакции.

Токамаки: что достигнуто? В таблице даны основные параметры токомаков: R и r - большой и малые радиусы плазмы, V - её объём, B - напряжённость магнитного поля, BV - фактор удержания плазмы и W - общая мощность дополнительных источников её нагрева (который можно производить тремя способами: адиабатическим сжатием плазмы, инжекцией быстрых (“горячих”) нейтральных атомов и высокочастотными волнами).

Главная задача Т - 7 была выполнена: подготовлена перспектива для следующего поколения сверхпроводящих соленоидов термоядерной энергетики. Чтобы подчеркнуть всю сложность этой задачи, отметим, что попытка наших коллег из ФРГ соорудить плазменную установку W - 7 со сверхпроводящей системой не удалась. Т - 10 и PLT— следующий шаг в мировых термоядерных исследованиях, они почти одинакового размера, равной мощности, с одинаковым фактором удержания. И полученные результаты идентичны: на обоих реакторах достигнута заветная температура термоядерного синтеза, а отставание по критерию Лоусона — всего в двести раз. Не надо удивляться этому как будто легкомысленному “всего”: на самом деле в те годы и такой результат был успехом. JET (Joint Europeus Tor) — самый крупный в мире токомак, созданный организацией Евратом в Великобритании. В нём использован комбинированный нагрев: 20 МВт — нейтральная инжекция, 32 МВт — ионно-циклотронный резонанс. В итоге критерий Лоусона лишь в 4-5 раз ниже уровня зажигания. Т - 15 — реактор сегодняшнего дня со сверхпроводящим соленоидом, дающим поле напряжённостью 3,5 Тл. К сожалению, столь важный для развития наших работ по термояду реактор является самым “младшим” в своём поколении, явно отставая от последних зарубежных. Такое отставание — расплата за негибкость нашей промышленности и проектных организаций, отчего каждая новая установка становиться “долгостроем”. TFTR (Test Fusion Tokamak Reactor) — крупнейший токамак США (в Принстонском университете) с дополнительным нагревом быстрыми нейтральными частицами.

Достигнут высокий результат: критерий Лоусона при истинно термоядерной температуре всего в 5,5 раза ниже порога зажигания. Как видно из краткого обзора, нет сомнений, что в ближайшее время можно ожидать “зажигания” термоядерной реакции в земных условиях на смеси газов дейтерия и трития.

Ядерный синтез завтра. “На завтра” планируется прежде всего создание следующего поколения токамаков, в которых можно достичь самоподдерживающегося синтеза. С этой целью в ИАЭ имени И.В.Курчатова и НИИ электрофизической аппаратуры имени Д.В.Ефремова разрабатывается Опытный термоядерный реактор (ОТР). В ОТР ставится целью самоподдержание реакции на таком уровне, чтобы отношение полезного выхода энергии к затраченной (обозначается Q ) было больше или по крайней мере равно единице: Q=1. Это условие — серьёзный этап отработки всех элементов системы на пути создания коммерческого реактора с Q=5. По имеющимся оценкам, лишь при этом значении Q достигается самоокупаемость термоядерного энергоисточника, когда окупаются затраты на все обслуживающие процессы, включая и социально-бытовые затраты. А пока что на американском TFTR достигнуто значение Q=0,2-0,4. Существуют также и другие проблемы.

Например, первая стенка — то есть оболочка тороидальной вакуумной камеры — самая напряжённая, буквально многострадальная часть всей конструкции. В ОТР её объём примерно 300 м 3 , а площадь поверхности около 400 м 2 . Стенка должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять атмосферному давлению и механическим силам, возникающим от магнитного поля, и достаточно тонкой, чтобы без померного перепада температур отводить тепловые потоки от плазмы к воде, циркулирующей на внешней стороне тороида. Её оптимальная толщина 2 мм. В качестве материалов выбраны аустенитные стали либо никелевые и титановые сплавы.

Планируется установка Евратомом NET (Next Europeus Tor), во многом схожим с ОТР, это следующее поколение токомаков после JET и Т-15. NET предполагается соорудить в течении 1994-1999 годов.

Первый этап исследований планируется провести за 3-4 года.