Энергетика завтра
Проблемы использования атомного реактора на быстрых нейтронах, транспорта энергии и ее аккумулирования, энергетики и охраны окружающей среды уже обсуждались на страницах этой книги. Все они представляют первостепенный интерес для энергетики завтрашнего дня. В этой главе мы хотим рассказать о термоядерной энергетике, возобновляемых источниках энергии, методах прямого преобразования энергии, искусственном жидком топливе.
Термоядерная энергетика.
Принцип действия термоядерного реактора, над созданием которого работают крупнейшие физики многих стран мира, имеет общее с принципом действия обычного атомного реактора. В обоих случаях основой являются ядерные реакции, масса вещества перед реакцией несколько больше массы продуктов ядерной реакции. Другими словами, и здесь и там имеется дефект массы, и в результате огромное энерговыделение. 1 кг исходного для термоядерной реакции вещества энергетически эквивалентен 10 тыс. т. условного топлива. Иначе, 1 г этого вещества энергетически эквивалентен 10 тут. Таким образом, энерговыделение в термоядерной реакции, отнесенное к единице массы исходного вещества, примерно в 4 раза больше по сравнению с ядерной реакцией деления 235U.
Отличие заключается в том, что термоядерная реакция есть реакция соединения (синтеза) ядер, а не их деления. Реакции деления ядер, сопровождаемые огромным энерговыделением, свойственны тяжелым элементам, обладающим большим атомным весом. Ядерные же реакции с большим выделением энергии, участниками которых являются легкие элементы с малым атомным весом, — это реакции синтеза ядер.
В реакции деления ядер делящееся вещество (уран, плутоний) является, как часто говорят в физике, мишенью. Активная же роль принадлежит нейтронам — инициаторам ядерной реакции. В реакции синтеза ядер дело обстоит иначе. Ядерная реакция этого типа может осуществиться только в том случае, когда ядра атомов окажутся достаточно близко друг от друга, на расстоянии порядка 10-+3 см, или 10-9 мк (одна миллиардная часть микрона).
Сближению атомов противостоят электростатические силы отталкивания (ядра атомов имеют одинаковый положительный заряд), и, чтобы оно произошло, необходимо, чтобы взаимодействующие частицы обладали большой кинетической энергией. Другими словами, вещество должно иметь в отличие от реакции деления ядер очень высокую температуру, измеряемую многими десятками миллионов градусов. Именно по этой причине реакция синтеза ядер названа термоядерной. При такой высокой температуре вещество пребывает в так называемом плазменном состоянии. Плазма отличается от обычного газа тем, что ее составляют не молекулы и атомы, а ядра атомов и свободные электроны: при температуре примерно 10 тыс. градусов, атомы любого вещества теряют свои электронные оболочки.
Частицы, из которых состоит плазма, имеют электрические заряды. Электроны — отрицательные, а ядра атомов — положительные. Это имеет очень большое значение, в чем читатель скоро убедится.
Напомним, что водород имеет три изотопа: протий (Н) — обычный водород, ядром атома которого является протон; дейтерий (D) — более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из протона и нейтрона; тритий (Т) — еще более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Атомные веса трех названных изотопов водорода (Н, D, Т) относятся между собой, как 1:2:3.
По современным научным представлениям, источником энергии звезд, в том числе нашего Солнца, служит термоядерная реакция, в результате которой водород превращается в гелий и выделяется огромное количество энергии. Такая реакция протекает в недрах звезд, но осуществить ее в земных условиях, по-видимому, невозможно. Значительно проще, оказывается, осуществить реакцию между ядрами дейтерия и трития. При этом образуются ядра гелия, нейтроны и также происходит огромное энерговыделение.
Возможность осуществления в земных условиях термоядерной реакции, исходными веществами для которой служат тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий, доказана. Именно такая реакция протекает в термоядерной (водородной) бомбе, где она носит характер неуправляемого, кратковременного, мощного взрыва, результатом которого является разрушение. Для того чтобы использовать термоядерную реакцию в мирных целях, нужно научиться ее регулировать, заставить протекать спокойно.
Следует заметить, что тяжелый изотоп водорода тритий — вещество радиоактивное, период его полураспада — около 12 лет. Поэтому тритий на Земле практически не встречается. Но это не создает безвыходного положения. Вспомним, что плутония (239Рu) тоже не было на Земле. Однако теперь 239Рu является одним из самых распространенных ядерных топлив для атомных реакторов. Оказывается, тритий можно получать из щелочного металла лития (Li) путем бомбардировки его атомных ядер быстрыми нейтронами, образующимися, в частности, в термоядерной реакции слияния ядер D и Т. Можно даже вместо трития помещать в термоядерный реактор «тритиевое сырье» — литий. В процессе работы реактора тритий в нужных количествах будет воспроизводиться из лития.
Что касается ресурса ядерного топлива для термоядерной дейтерий-тритиевой реакции (или, как иногда ее именуют, D+T-реакции), то в конце концов дело сводится к запасам лития. Действительно, ресурс дейтерия на Земле очень велик. При использовании дейтерия, содержащегося в воде морей и океанов (а получение дейтерия из воды рассматривается как дело несложное и экономически вполне оправданное), его запасы по энергетическому эквиваленту во много миллионов раз превышают ресурсы всех видов органического топлива, вместе взятых.
В отношении лития, даже с учетом того, что для получения трития «в дело идет» только изотоп лития (6Li), содержащийся в природном литии в количестве 7,4%, можно сказать, что его запасы достаточно велики. Они принимаются специалистами равными по энергетическому эквиваленту запасам урана на Земле.
Если удастся использовать термоядерную D+D реакцию (а не D+T-реакцию), то энергетический ресурс можно рассматривать как практически неограниченный.
Следовательно, для того чтобы использовать термоядерную реакцию в мирных, полезных для людей целях, необходимо создать такой термоядерный реактор, в котором D+T-реакция протекала бы спокойно и контролируемо. Решить эту задачу очень трудно. Прежде всего нужно разогреть дейтерий-тритиевую плазму (обычно смесь является пятидесятипроцентной: половина дейтерия и половина трития) до температуры порядка 100 млн. градусов и длительно удерживать ее в этом состоянии.
В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова под руководством Л. А. Арцимовича были разработаны установки типа Токамак. Название «Токамак» произошло от сокращения слов «тороидальная камера с магнитным полем». В этой установке нагревание плазмы до столь высокой температуры достигается за счет протекания через плазму электрического тока очень большой силы, порядка сотен тысяч ампер. Этот огромный ток возбуждается внешним индуктором. Вследствие электрического сопротивления плазмы образуется «джоулево» тепло, за счет которого происходит нагрев плазмы.
Еще более сложной задачей является сохранение (удержание) горячей плазмы. Не может быть и речи, конечно, о соприкосновении плазмы со стенкой — на свете нет такого материала, который остался бы цел (не испарился бы) после такого соприкосновения. В Токамаках удержание плазмы производится с помощью магнитного поля. Решающим является то,
что плазму составляют частицы, имеющие электрический заряд, — ядра атомов и электроны, на которые можно воздействовать магнитным полем.
Высокотемпературная плазма в Токамаке помещается в сосуде, который имеет форму кольца, схож с баранкой или спасательным кругом. Такое геометрическое тело называется тором. С помощью магнитной системы, размещенной вовне тора, создается сильное магнитное поле, интенсивность которого возрастает по мере удаления от оси кольцевого канала тора. Плазма отжимается магнитным полем к оси канала и не соприкасается с его стенками. Именно в этом и заключается простая, но всегда восхищающая тех, кто с ней знакомится, идея Токамака.
Для того чтобы термоядерная реакция могла протекать с большим выделением энергии, требуется еще иметь необходимую концентрацию ядер дейтерия и трития в единице объема (иначе говоря, плотность плазмы), а также достаточное время удержания плазмы. Эти две величины взаимосвязаны: чем выше концентрация ядер атомов, тем меньше необходимое время удержания, и наоборот. Численно эта зависимость выражается критерием Лоусона: для каждой термоядерной реакции и температуры плазмы имеется минимальное необходимое значение произведения концентрации ядер и времени удержания плазмы. Для D+Т-реакции и температуры 100 млн. градусов критерий Лоусона равен 3 • 1014. Это значит, что при концентрации ядер атомов, равной 1014 1/см3, время удержания должно быть, во всяком случае, не меньше секунды.
Как же обстоит дело в настоящее время с достижением необходимых значений температуры плазмы, концентрации ядер атомов и времени удержания?
Необходимая для D+Т-реакции температура, равная 100 млн. градусов, пока еще не достигнута. Удалось, правда, подойти к ней довольно близко.
Возможно, что для достижения требуемой температуры окажется целесообразным вспрыскивать в плазму разогнанные в ускорителе элементарные частицы высокой энергии.
В соответствии с критерием Лоусона для D+T реакции при уже достигнутой плотности плазмы 1014 1/см3 и еще не достигнутой температуре 100 млн. градусов нужно время удержания более секунды. Пока еще оно менее десятой доли секунды.
Получение необходимой температуры и времени удержания плазмы в большой мере зависит от размеров реактора. Снова (в который уже раз!) приходится сталкиваться с геометрическим фактором: отношением поверхности объекта к его объему. Оказывается, что из камеры Токамака, в которой заключена плазма, несмотря на магнитное поле, все-таки происходит утечка частиц (относительная, выраженная, например, в процентах) так же, как утечка нейтронов из активной зоны атомного реактора; она становится тем меньше, чем больше объем камеры Токамака, т. е. чем меньше отношение величины поверхности камеры к ее объему. Этот вывод проверен практикой.
Следовательно, способ увеличения времени удержания плазмы Токамака найден! Это — увеличение размеров установки. Можно предполагать, что трудные задачи — повышение температуры и времени удержания плазмы — будут решены. В этом направлении ведется большая работа специалистами Советского Союза, США, Японии, Франции и других стран.
По-видимому, первыми войдут в практику гибридные ядерно-термоядерные реакторы. Энергия, образующаяся в результате термоядерной реакции, воспринимается примерно на 80% рождающимися в реакции нейтронами и на 20% ядрами атомов гелия ( α-частицами), также рождающимися в результате слияния ядер дейтерия и трития. Нейтроны, не имеющие электрического заряда, а потому не подвергающиеся действию электромагнитного поля, свободно выходят из плазмы и попадают на окружающую ее оболочку, именуемую бланкетом (от английского слова blanket — «одеяло»).
В гибридном ядерно-термоядерном реакторе бланкет должен содержать исходное ядерное топливо («атомное сырье»), 233U или 232Th, под действием очень быстрых нейтронов, излучаемых плазмой, оно преобразуется в 239Рu или 233U, атомные ядра которых обладают свойством самопроизвольного деления. В бланкете также должны быть каналы с циркулирующим по ним теплоносителем, которому передается тепло, образующееся в результате деления ядер плутония 239Рu или урана 233U. Тепло, воспринятое теплоносителем, используется, например, в паросиловой установке, для производства электроэнергии.
Таким образом, в гибридном ядерно-термоядерном реакторе термоядерная D + T-реакция используется как источник нейтронов, а сам реактор «исполняет обязанности» атомного реактора на быстрых нейтронах (реактора-размножителя). Другими словами, с помощью гибридного реактора будет производиться электроэнергия и осуществляться выработка ядерного топлива 239Рu или 233U. По мнению специалистов, к параметрам термоядерной реакции, используемой в гибридном реакторе, предъявляются «льготные» требования. Критерий Лоусона (произведение двух величин: концентрации ядер атомов плазмы и времени удержания плазмы), например, может быть намного меньше.
Хотя метод удержания высокотемпературной плазмы с помощью магнитного поля (метод Токамаков) в настоящее время наиболее разработан, он не является единственным. Многие ученые считают, что для проведения управляемой термоядерной реакции большие перспективы имеет также способ микровзрывов.
Из смеси дейтерия с тритием изготовляются маленькие твердые шарики диаметром около 1—2 мм Такой шарик облучается одновременно с разных сторон очень мощными лазерными или электронными лучами. Время облучения дейтерий-тритиевого шарика должно быть очень малым, порядка миллиардной доли секунды. За время воздействия на шарик лучей очень высокой энергии шарик не должен испариться полностью. Необходимо, чтобы испарились только его внешние поверхностные слои. В этом случае образовавшаяся дейтерий-тритиевая плазма будет не только разлетаться в разные стороны, но и сжимать неиспарившуюся центральную часть шарика. В результате сильного сжатия центральной части шарика (в сотни и даже тысячи раз) и одновременного ее нагревания возникает термоядерная реакция. Если же длительность облучения шарика будет большей, то шарик, часто именуемый мишенью, испарится полностью и термоядерная реакция не возникнет.
Разумеется, для возникновения термоядерной реакции тоже должны выполняться условия, определяемые критерием Лоусона. Следовательно, для возникновения D+T-реакции произведение плотности плазмы (концентрации ядер атомов дейтерия и трития) и времени удержания должно быть не менее определенной величины, зависящей от температуры и определяемой критерием Лоусона. В рассматриваемом случае по сравнению с Токамаками плотность плазмы намного больше (мишень — твердое тело, подвергающееся снаружи высокому давлению), а время удержания гораздо короче (время облучения мишени — миллиардная доля секунды).
Итак, термоядерная реакция в данном случае происходит в непрерывно следующих один за другим взрывах дейтерий-тритиевых шариков-мишеней. Поэтому описанный метод назван методом микровзрывов (или импульсным). В импульсном методе нет необходимости в магнитной изоляции плазмы — время протекания термоядерной реакции настолько коротко, что реакция успевает завершиться до того, как плазма остынет.
При использовании метода микровзрывов для осуществления управляемой термоядерной реакции приходится также сталкиваться с очень сложными, требующими решения задачами. Назовем некоторые из них.
Так как облучение дейтерий-тритиевого шарика диаметром 1—2 мм должно производиться со всех сторон равномерно очень короткое время, то, по-видимому, потребуется не менее 8 лазерных или электронных лучей, направленных на шарик. Лучи должны вспыхнуть одновременно, а время их свечения не должно превышать нескольких миллиардных долей секунды. Как показывают расчеты, суммарная энергия, передаваемая шарику-мишени одновременно воздействующими на него лучами, должна составлять не менее 100 кДж. Время же воздействия очень мало — миллиардные доли секунды, или наносекунды. В итоге получается, что потребная (в течение всего лишь нескольких наносекунд) мощность составляет около 100 млрд. кВт. Огромная цифра. Сделать накопитель энергии, который в течение очень короткого времени создавал бы такую огромную мощность, тоже нелегко. Тем более что облучение мишеней должно следовать одно за другим. Существуют и другие сложные задачи, на которых мы здесь останавливаться не будем.
Использование управляемой термоядерной реакции в энергетике — дело очень важное, нужное для экономики. Но задача до сих пор остается до конца не решенной. Необходимо продолжать работу.
