Журнал Наука и Техника (НиТ) - «Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2006 № 05 (5)

Все более и более развивающаяся атомная энергетика также не сможет обеспечить долгосрочных потребностей человечества, по оценкам специалистов ядерного «топлива» хватит примерно на 300 лет.

Итак, мы выяснили, какие возможности имеет человечество для выработки энергии и почему производство последней так важно для него. Теперь естественно было бы задать вопрос по поводу того, что делать сейчас для того, чтобы обеспечить энергонезависимое будущее своим потомкам. Какие источники энергии смогут в относительно недалеком будущем обеспечить потребности растущего человечества. Оказалось, что такие источники существуют, и одним из самых перспективных среди них является утилизация энергии продуктов реакции термоядерного синтеза ядер легких элементов.

Еще в 1929 году астрофизики Р. Аткинсон и Ф. Хаутерманс высказали предположение о термоядерном происхождении звездной энергии. Примерно через десять лег X. Бете, Л. Кричфилд и Г. Гамов рассмотрели два цикла термоядерных реакций, которые могли бы протекать в недрах Солнца и звезд: протонно-протонный и углеродно-азотный. В обоих циклах должно было синтезироваться ядро гелия с выделением энергии более 25 МэВ на каждое ядро. В настоящее время предположения Р. Аткинсона и Ф. Хаутерманса полностью подтвердились.

В дальнейшем выяснилось, что наиболее перспективной для производства энергии на Земле является реакция синтеза, в которой участвуют ядра изотопов водорода — дейтерий (D) и тритий (Т). Схема такой реакции изображена на рис. 1.

Рис. 1. Термоядерная реакция синтеза ядер дейтерия ( D) и трития ( Т): кружочками с буквой рвнутри условно обозначены протоны, с буквой n— нейтроны.

Процесс синтеза противоположен процессу деления, но также приводит к высвобождению ядерной энергии. Для того, чтобы исходные ядра могли слиться, они должны иметь относительную скорость, достаточную для преодоления барьера электростатического отталкивания. Так как высота этого барьера растет с увеличением зарядов взаимодействующих ядер, то для синтеза и выбираются ядра с минимальным зарядом, то есть изотопы водорода (их заряд минимален, так как ядро водорода и его изотопов включает в себя только один протон, а нейтрон электрического заряда не несет).

В 1949 году О. А. Лаврентьев предложил плазменное [4] Плазма представляет собой смесь ионов и электронов, в которой суммарный электрический заряд одних практически полностью нейтрализует заряд других. Это является одним из важнейших свойств плазмы, называемое принципом квазинейтральности. Сам термин "плазма" был впервые употреблен Ленгмюром (}. Langmuir) в 1923 году. Однако само понятие появилось раньше, чем термин. Его ввел еще в 1879 году Крукс (W. Crookes), который описывал ионизированную среду электрического разряда в газах. Плазму называют четвертым состоянием вещества. Его природным примером является плазма в космосе: потоки заряженных частиц, двигающиеся от солнца (солнечный ветер); ионизированный газ, заполняющий межзвездное пространство: верхние слои атмосферы нашей планеты (ионосфера). На Земле плазму создают в специальных экспериментальных устройствах. Последние пятьдесят лет исследования физики плазмы носят целенаправленный характер. Прежде всего, они связаны с надеждой осуществления управляемого термоядерного синтеза и получения практически неисчерпаемого источника энергии. решение проблемы синтеза легких ядер в виде электростатической ловушки, однако на тот момент плазма оказалась наименее исследованным состоянием вещества и каждый раз преподносила новые «сюрпризы». Как правило, эти неприятные «подарки» представляли различного рода неустойчивости, приводившие к срыву необходимых режимов работы установок. Осуществление в 1951 году неуправляемой термоядерной реакции в земных условиях в ходе испытательного взрыва водородной бомбы стимулировало проведение исследований, связанных с управляемым термоядерным синтезом (УТС), как источником энергии. Систематические исследования проблемы УТС начались примерно одновременно в Англии, СССР и США в обстановке глубочайшей секретности, так как предполагалось, что их результаты могут найти применение в военных целях. Такие исследования, постепенно приближая решение задачи УТС, привели к развитию целого ряда «побочных» плазменных технологий, которые используются сейчас повсеместно.

Рассмотрим теперь основные проблемы УТС, которые интересовали физиков «плазмистов» в 1950-х годах.

Первая проблема — «горючее». Имеются фактически неисчерпаемые запасы дейтерия, однако тритий в естественном виде не существует, он распадается с периодом полураспада примерно 12 лет. Значит, его надо производить в самом реакторе, наиболее приемлемой в таком случае будет реакция распада ядра лития, бомбардируемого нейтроном, на ядро гелия и трития с выделением 4,8 МэВ энергии при каждом акте распада. Запасы лития в земной коре оцениваются примерно в 1 млрд. тонн и, кроме того, он содержится в морской воде (примерно 0,17 г/куб. метр). То есть, по оценкам специалистов, его запасов хватит для выработки достаточного количества трития, чтобы сделать УТС реальной альтернативой современным методам получения энергии.

Вторая проблема — нагревание горючего до температуры (отметим, что при необходимых температурах вещество находится в плазменном состоянии), при которой будет иметь место самоподдерживающаяся термоядерная реакция. Для определения такой температуры ученые исходили из следующего условия: выделяемая за счет термоядерной реакции мощность должна быть как минимум достаточной для поддержания условий этой реакции. При этом учитывались два основных эффекта: уносимая нейтронами энергия не должна учитываться, так как она не рассеивается в плазме; потери энергии в области горячей плазмы, где идут термоядерные реакции, будут происходить посредством излучения самой плазмы. Ясно, что при учете указанных эффектов условие самоподдержания будет выполнено, если выделяемая за счет реакций термоядерного синтеза мощность будет превосходить излучаемую. Такие оценки дают температуру порядка 45 млн. °С.

Третья проблема — удержание и термоизоляция «горючего». Очевидно, что нельзя рассчитывать на удержание вещества такой температуры материальными стенками. Однако горючее представляет собой плазму, то есть состоит из заряженных частиц, следовательно, можно надеяться на использование схем электромагнитного удержания (таких схем, в которых электромагнитными нолями уравновешивают давление плазмы). Следует также отметить, что кроме всего прочего, система удержания должна обеспечивать устойчивое равновесие удерживаемой плазмы и препятствовать проникновению внутри водородной высокотемпературной плазмы примесных частиц, чтобы минимизировать потери на излучение.