• Ukrainian
  • вул. Рівненська, 14, 8 корпус ЧНУ, 3 поверх

  • +38(0372)509432

  • info@ksm.cv.ua

Керований термоядерний синтез

Керований термоядерний синтез

 

На запитання «Коли появиться термоядерна енергетика?» визнаний фахівець у цій справі академік Лев Арцимович відповів «Тоді, коли стане дійсно необхідна людству». Схоже, що цей час наближається. Чому?

Зараз людство споживає приблизно 15,7 терават енергії,  або 2,4 кіловата на добу на одну людину. Причому, це споживання дуже нерівномірне у світі: від 10,5 кВт в США до 0,2 кВт в Бангладеш. Всередині ХХІ ст. населення планети кількісно зросте із теперішніх 8 до 9-10 млрд., а споживання енергії збільшиться в кілька разів.

В даний час 80% енергії виробляється за рахунок спалювання природних ресурсів (газ, нафта, вугілля). При цьому катастрофічно наростають екологічні зміни, та й запаси палива колись мають закінчитись. Дані про світові розвідані запаси мінерального палива показують, що при теперішньому рівні видобутку палива  газу вистачить на 50-200 років, нафти – 50-100, вугілля на 200-500 років. Зрозуміло що це дуже наближені оцінки, оскільки можуть бути розвідані нові родовища, зростуть темпи їх видобування. Та й по різних регіонах Землі вони суттєво відрізняються. Що ж робити, щоб зберегти планету і людство? Очевидно треба  більш раціонально використовувати енергію, яка виробляється.  Але це не дасть бажаного результату, хіба відтягне колапс.

Доля різних джерел енергії в світовому балансі виглядає так:

викопне паливо (вугілля, газ, нафта) – 80%;

спалювання біомаси і відходів – 10%;

атомні станції – 5%;

гідростанції -5%

вітер, сонячні батареї, геотермальні установки і т. ін. – 1-0.5%.

Навіть теоретично максимальне збільшення виробництва енергії із інших джерел, крім спалювання палива, з врахуванням зростаючих потреб показує, що людство змушене шукати  нові джерела енергії. На сьогодні такими джерелами можуть бути Сонце і термоядерний синтез.

Потенційно Сонце є невичерпним джерелом енергії. Кількість енергії, що потрапляє на 0,5% поверхні планети при умові її перетворення із ефективністю 15% дає 19 терават. Але тут є проблеми із накопиченням цієї енергії, передачею її на віддалі та інші проблеми технічного характеру. В останні роки є певний прогрес у галузі і фотовольтаїки, і в побудові башт-геліостатів.  Це правильний шлях, але він не може бути єдиним.

На атомних станціях енергія отримується за рахунок реакцій поділу ядер урану. Проте природного урану на Землі не так багато (приблизно на 50 років при сучасному використанні). Правда, тут є можливість розширити енергетичні цикли, створюючи реактори на торії, який утворюється при поділі ядер урану. Можливі також інші підходи та удосконалення, але є ризики аварій (задаємо Чорнобиль, Фукусіму та інші менш масштабні аварії).

Основна надія на забезпечення людства енергією – це термоядерний синтез.

Реакції термоядерного синтезу відкриті біля 90 років тому. В 1934 році Георгій Гамов вперше висловив ідею про можливість керованої термоядерної реакції, подібної до некерованих реакцій, які мають місце в зорях. Детальну теорію термоядерного зоряного синтезу розробив Ганс Бете в 1938 році. Нагадаємо коротко суть таких реакцій.

Ядра атомів складаються із нуклонів двох типів – протонів і нейтронів. Протон має позитивний електричний заряд, а нейтрон – не заряджений. Між однойменно зарядженими протонами в ядрі діють кулонівські сили електричного відштовхування. Тим не менше ядра не розпадаються, бо сили електричного відштовхування компенсуються значно сильнішими силами сильної взаємодії. Ці сили діють на дуже коротких віддалях і забезпечують стабільність ядер. Для того щоб мало місце злиття двох ядер треба перебороти сили кулонівського відштовхування, радіус дії яких є значно більший за радіус дії сил сильної взаємодії. Іншими словами для злиття двох ядер їх треба зблизити настільки, щоб сильна взаємодія нейтралізувала кулонівське відштовхування. Цього можна досягти кількома шляхами. В надрах зірок це роблять сили гравітаційного притягання, але на сьогодні ці сили не можуть контролюватися. Можна розігнати в прискорювачах ядра до величезних швидкостей і заставити їх стикатися одне із одним. Тоді кінетична енергія їхнього руху зможе перебороти потенціальну енергію відштовхування. Але для розгону ядер до таких швидкостей треба затратити величезну енергію, може навіть більшу ніж та  що отримується в результаті реакції. Нарешті третій шлях – тепловий рух ядер, який має місце в термоядерній бомбі і в термоядерних реакторах.

В центрі Сонця з ядер водню спочатку утворюються ядра його важких ізотопів – дейтерію і тритію, з яких в наступних реакціях утворюються ядра гелію. Маса ядра гелію на 0,7% менша від суми мас ядер водню, з яких воно утворюється. Ця різниця мас перетворюється в енергію згідно з формулою Ейнштейна . Саме цю енергію ми отримуємо від Сонця у вигляді світла і тепла. Процес синтезу на Сонці йде дуже повільно, особливо перший етап – перетворення ядер водню в ядра дейтерію і тритію. На це йдуть мільярди років. Тому питома потужність ядерних реакцій на Сонці зовсім не велика –. Приблизно така ж потужність виділяється і тілом людини. Але за рахунок величезного об’єму сонячний термоядерний реактор випромінює в простір гігантську енергію, 0,5%  якої забезпечує життя на Землі.

Щоб забезпечити можливість розпочати термоядерну реакцію на Землі немає потреби чекати мільярди років щоб утворився дейтерій, бо його є на Землі досить багато в готовому вигляді. На 6700 ядер водню приходиться одне ядро дейтерію. В одному кубічному метрі води є 110 кг водню і 33 г дейтерію. Іншими словами запаси термоядерного палива на Землі доступні і теж умовно “невичерпні”.

Щоб розпочалась термоядерна реакція треба щоб виконувались три умови. По перше наявність високих температур  К.  В центрі Сонця температура порядку 15 млн градусів ().  Але питома потужність реакції там, як говорилося вище, мізерна. Щоб збільшити потужність хоча б до 1000 температуру треба підняти до сотень мільйонів градусів (). По-друге, в реакції мають брати участь достатньо багато часток, тобто, густина  ядерної плазми має бути достатньо великою. Але разом із густиною зростає і тиск всередині плазми і її треба якось утримувати певний час, бо інакше частки плазми розлетяться за рахунок електричного відштовхування. Тобто, третя умова – час життя  плазми має бути таким, щоб енергія, яка отримується в процесі реакції була більша за затрати на нагрів плазми і її утримання. Справедливим є так званий критерій Лоусона . Із усіх можливих термоядерних реакцій найменшу температуру в 100 млн градусів потребує реакція дейтерію з тритієм

.

Ядра, які вступають в реакцію мають при температурі 100 млн градусів енергію 10 000 еВ. В результаті реакції утворюється ядро гелію, що має енергію 3,5 млн еВ і нейтрон з енергією в 14,1млн еВ. В сумі енергія часток, що утворюється рівна 17.6 млн еВ. Щоб узнати виграш в енергії треба поділити енергію часток, що утворюються в результаті реакції  на енергію часток, що вступають в реакцію. В нашому випадку – це виграш в 1760 разів. Це колосальний виграш!

Отже, для цієї вигідної реакції потрібний дейтерій і тритій. Як уже вияснилось вище із дейтерієм на Землі проблем немає. Із тритієм гірше, бо він не стабільний. Період його піврозпаду 12 років і на Землі його практично немає. Тритій треба отримувати штучно, опромінюючи нейтронами літій. Це можна зробити в стінках самого реактора, використовуючи нейтрони, що виділяються в процесі термоядерного синтезу.  Розвідані запаси літію на земній суші 11 млн тон, його вистачить на 3 тис років. У морській воді його у 20000 разів більше. Отже проблем із паливом для термоядерної енергетики на сьогодні не видно.

Допомагаючи створювати тритій прямо в стінках реактора нейтрони створюють також ряд технічних проблем.  Зокрема викликають, хоч і не велику, штучну радіоактивність в стінках реактора, крім того знижується міцність конструктивних матеріалів реактора, бо вони стають рихлими через опромінення нейтронами. Щоб позбутися нейтронів і пов’язаних із ними проблем можна вибрати інші термоядерні реакції. Наприклад, замість тритію використати ізотоп гелію . Тоді в реакції

не буде нічого радіоактивного. Може в майбутньому саме ця реакція буде основою термоядерної енергетики. Але для її протікання треба в 10 разів вищу температуру(К ), що на сьогодні є проблематичним. Крім того гелію-3 на землі практично немає. Але його багато у верхніх шарах місячного грунту. Добування його на Місяці і доставка на Землю однозначно окупиться отриманою електроенергією. Але перші термоядерні електростанції все-таки будуть будуватись на основі реакції дейтерію із тритієм.

Із трьох параметрів  температура Т визначається вибраною реакцією, інші два – концентрація і час життя – допускають варіації. Або може бути низька концентрація плазми і тривалий час її утримання, або навпаки – висока концентрація плазми і нетривалий час її утримання, головне в цьому процесі – виконання співвідношення . В термоядерній бомбі густина плазми дуже велика (як густина твердого тіла) і створюється тиском при спрацюванні запалу – вибуху атомної бомби.

Утримується розігріта плазма від контакту із стінками реактора в своєрідній “магнітній пляшці”, яка разом із іншими конструктивними особливостями називається токамаком. Для створення токамаку досить мати магнітне поле напруженістю 5-6 тесла і концентрацію плазми  1000 часток на . Це по суті глибокий вакуум, бо дана концентрація в 200 000 разів менша від концентрації частинок в повітрі. Щоб мати позитивний вихід енергії плазму треба утримувати кілька секунд. Заряджені ядра ізотопів гелію залишаються всередині “магнітної пляшки”, де стикаючись, підтримують температуру плазми. Незаряджені продукти реакції – нейтрони полишають систему і передають свою енергію стінкам реактора. Потім теплоносій повинен відбирати енергію від стінок реактора і переносити її до робочих турбін.

Хоча конструювання термоядерних установок є дуже складною задачею, за останні 50 років у світі створено біля 300 токамаків. Найбільші із них в США, Європі, Англії, Японії, Китаї, Росії та в Казахстані. Проведена і далі ведеться величезна робота по утриманню плазми в токамаках. Вивчені механізми та закономірності переносу тепла і частинок, розроблені методи вимірювання густини і температури плазми, електричних і магнітних полів. Створені національні і міжнародні бази даних з результатами поведінки плазми в різних умовах. На багатьох токамаках досягнута необхідна температура в 100 млн. градусів при меншій від необхідної густині плазми.

Найбільший діючий токамак JET (Joint European Tokamak) побудований Європейським союзом на території Великобританії. Об’єм плазми в ньому біля 100, яка нагрівається до температури 150 млн градусів. Потужність термоядерної реакції на цьому токамаку 16 000 кіловат, що дає біля 80% вкладеної в плазму енергії. Залишилось зробити наступний крок: отримати від плазми хоча б на порядок більше енергії ніж в неї вкладено…

Саме ця мета поставлена перед реактором-токамаком ITER. Лінійні розміри  його більші в двічі за розміри JET, що повинно привести до збільшення енергії плазми у 8 разів, час утримання плазми – у 4 рази. За оцінками виграш в енергії повинен бути в 10 разів по відношенню до затрат на розігрів плазми. Ця експериментальна установка не матиме турбін для отримання електроенергії. ЇЇ мета – вивчення умов стабільної роботи таких установок і відпрацювання режимів, які повинні забезпечити роботу економічно вигідних електростанцій. Іншими словами ITER має продемонструвати можливість комерційного використання термоядерного синтезу і розв’язок фізичних і технічних проблем на шляху побудови електростанцій, що працюють на реакціях термоядерного синтезу. Його проектна потужність 500 МВт при затраті енергії на вході 50 МВт. Реактор ITER створюється концорсіумом країн в який входять США, ЄС, Японія, Росія, Канада, Китай, Південна Корея та Індія. Загальна кількість населення цих країн складає біля половини населення Землі. Тобто, цей проект є глобальною відповіддю на глобальний виклик. Будівництво розпочате в 2007 році на півдні Франції біля міста Карадаш. Перша розрахункова вартість проекту складала 5 млрд євро, а роботи планувалось завершити в 2016 році. Проте термін завершення неодноразово уточнявся і зараз планується його завершення в 2025 році а загальна вартість – 19 млрд. євро, причому ЄС фінансує 34% вартості, Японія -32%, Росія і США по 17%.

Після реалізації цього міжнародного проекту ITER планується наступний крок – створення Демонстраційного реактора ДЕМО. Це буде перехідна ланка між ITER і першим комерційним термоядерним реактором. Якщо ITER планує отримувати 500 МВт енергії протягом 500 секунд і отримана енергія просто розсіюється в просторі, то ДЕМО має давати 2 ГВт в неперервному режимі, і отримана енергія має бути перетворена в електричну енергію.

В 2012 році були запропоновані наступні часові рамки проекту ДЕМО, який розробляється фірмами США, ЄС, Японії і Росії. Концептуальний проект – 2020 рік, інженерний проект – 2030, запуск першої черги – 2034, другої – 2038, повний запуск – 2044, отримання електроенергії – 2048 рік. Багато що залежатиме від результатів, отриманих на ITER.

Таким чином проглядаються наступні три етапи в розвитку термоядерної енергетики в ХХІ ст.:

  1. Побудова експериментального реактора ITER, на якому має бути отримана плазма із необхідними параметрами для стабільної роботи тривалий час. Відпрацювання необхідних для роботи ДЕМО всіх інженерних, конструкційних і технологічних рекомендацій.
  2. Створення прототипу промислової термоядерної електростанції – термоядерного реактора ДЕМО, введення його в експлуатацію приблизно в 2050 році. На ньому мають бути апробовані матеріали для кожної конструктивної деталі з точки зору впливу на неї нейтронів. Має бути перевірена надійність і безпека його роботи та вплив на навколишнє середовище. Зроблена оцінка економічних характеристик. Сьогодні оцінки демонструють рівну собівартість електроенергії з атомної і термоядерної електростанцій з тенденцією на зменшення собівартості останньої, не кажучи вже про інші вигоди (паливо, вплив відходів на екологію, безпекову складову тощо).
  3. Побудова і запуск в експлуатацію електростанцій на основі термоядерного синтезу.

 

Термоядерні реакції вивчаються в основному з перспективою побудови електростанцій. Розглядаються також інші сфери їх застосування: добування тепла для теплопостачання, опріснення і очистка води, спалювання радіоактивних відходів в атомних реакторах і т.д. Це менш масштабні проекти, але теж дуже важливі і не потребують стільки часу і ресурсів. Людство повинно в ХХІ столітті опанувати термоядерну енергетику! Інакше….