Р. Сворень
Термояд: сквозь тернии к звёздам

Собравшись в Москве в июне 2001 года, физики, инженеры, руководители промышленности и политические деятели Европейского союза, Японии, России, Канады, Казахстана, США и ряда других стран отметили знаменательное событие, которое наверняка войдёт в историю не только научного, но и общечеловеческого прогресса. После более чем девяти лет совместной работы многих крупных исследовательских и промышленных центров создан технический проект первого в мире экспериментального термоядерного реактора. Проектирование осуществляется в рамках международной программы „Технический проект ИТЭР“. ITER (International Termonuclear Experimental Reactor — Международный Экспериментальный Термоядерный Реактор, а само слово iter в переводе с латыни означает шаг, шаг на пути к звёздной энергии). Эта аббревиатура уже стала именем как самого проекта, так и будущего реактора. Собравшись на „Дни ИТЭР“ в Москве, участники встречи обсудили не только завершённый ими проект и результаты испытаний изготовленных промышленностью основных экспериментальных узлов будущего реактора. В кулуарах встречи обсуждались и конкретные планы его постройки, в частности, возможные места для сооружения первенца будущей термоядерной энергетики и организация работ на этом завершающем этапе.

Стратегия стрекозы


В начале июня в Москве проходили „Дни ИТЭР“ — представительная конференция, посвящённая вопросам строительства первого в мире международного экспериментального термоядерного реактора. На снимке — группа участников семинара, работавших над подготовкой официальных переговоров о будущем реактора ИТЭР. В центре — академик Е. П. Велихов, второй справа — первый заместитель министра атомной энергии России В. Г. Виноградов.
Жить, всякий знает, можно по-разному. Можно проводить свои дни беспечно, беззаботно, не думая о завтрашнем: что есть, то съел, не хватит — займём, день прошёл и прекрасно. Эта стратегия не раз была представлена в художественной литературе, например, в известной басне „Стрекоза и муравей“.

Можно жить и по-другому: полностью пожертвовать быстроубегающим нынешним деньком, всё отдать подготовке к дню грядущему. И эту стратегию обрисовало нам писательское перо — вспомните припрятанные на чёрный день плюшкинские сухари.

В малых масштабах, в жизни отдельного человека, семьи, подобные крайности встретишь редко — люди в основном живут сегодняшним днём, но какую-то часть времени, сил, средств вкладывают в своё завтра. Тратят годы на образование, варят на зиму варенье, зарабатывают пенсию, заводят сберкнижку. Но вот что удивительно — большие общественные структуры, целые страны и даже, бывает, всё человечество целиком уходят в текущие свои дела, к будущему относятся беспечно, в стиле стрекозы из басни Крылова. Посмотрите, с какой лёгкостью мы кромсаем природу, не задумываясь о том, что дело вот-вот дойдёт до непоправимого. С удивительной беспечностью мы наполняем мир многообразием новых химических соединений, не думая о том, как они состыкуются с тонкими химическими машинами живой природы и во что могут превратить род человеческий. Обратите внимание, наконец, на то, с каким азартом мы черпаем из недр нефть, каждый раз подбадривая себя порцией оптимизма: „Учёные уверены, что нефти ещё много, вполне хватит на 30 лет… Какое там на тридцать, по новейшим прогнозам, на сорок… Даже на пятьдесят — ура!…“


Потребление энергии в мире стремительно растёт — на 2,3 процента ежегодно, то есть удваиваясь каждые 30 лет, и сегодня составляет около 8 тераватт в год (1 ТВт = 1012 Вт, тысяча миллиардов ватт). Количество произведённой энергии измеряют в массе условного топлива (принимается, что 1 кг условного топлива при сгорании выделяет 29,3 МДж энергии; уголь даёт чуть меньше, нефть и газ — больше). На производство такого количества энергии сегодня требуется затратить его почти миллиард тонн.
Но забываем, что период становления новой энергетики не менее 50 лет, так что мы уже опоздали…

Нельзя, конечно, сказать, что человечество совсем уже беспечно относится к вопросам энергетики в целом. Нет, нет — кое-что всё же делается, чтобы иметь энергетическую подмену к моменту, когда на индикаторе мирового бензобака стрелка упадёт до нуля. Но делается, как считают специалисты, намного меньше, чем можно было бы. И уж наверняка меньше, чем нужно.

Во всяком случае сегодня мировое сообщество тратит на подготовку к неотвратимо надвигающейся энергетической зиме в тысячи раз меньше средств, чем на совершенно пустое, бессмысленное дело — на вооружение. На то, чтобы народы, жители единого дома могли пугать друг друга, напоминая детей, которые играют в войну и ещё ничего не знают о проблемах взрослой жизни.

Экскурсия в закрома


Тепловые электростанции с кпд около 30% не только сжигают ценнейшее органическое сырьё — нефть, природный газ и уголь (вспомним слова Д. И. Менделеева: „Топить нефтью — всё равно что топить ассигнациями“), но и выбрасывают в атмосферу тысячи тонн копоти, углекислого газа и соединений серы. Кроме того, продукты сгорания содержат радионуклиды, загрязняющие тысячи квадратных километров территорий вокруг каждой ТЭЦ.
Сейчас основную часть всей потребляемой энергии даёт нам органическое топливо — нефть, уголь, газ. И в основном живём мы только за счёт того, что природа в своё время создала молекулы этих углеводородов, что она, образно говоря, сжала бессчётные молекулярные пружины и они, распрямляясь, возвращают запасённую энергию. Происходит это так — в процессе горения, то есть соединяясь с отобранным из воздуха кислородом, органическая молекула выделяет микропорцию тепла. А поскольку таких молекул много (в одном грамме нефти, например, миллиарды миллиардов), то при сжигании органического топлива можно получить немалую энергию. Именно эта нехитрая химия обеспечивает сегодня почти всё наше энергетическое пропитание — тепло и свет в домах, сталеплавильные печи и хлебозаводы, миллионы тракторов на полях и сотни миллионов автомобилей на дорогах. Ещё раз напомним — всё это начинается с химической реакции окисления углеводородов, с процессов в электронных оболочках атомов.

Есть у нас, у землян, и иные источники энергии. Самый, казалось бы, бесплатный — Солнце, в виде тепла и света отдающее Земле чуть ли ни в миллион раз больше киловатт, чем сегодня потребляет наше индустриальное общество. Но попробуй собери эти бесплатные киловатты — никаких денег не хватит. По мелочам выходит неплохо — микрокалькуляторы и иная маломощная электроника уже давно питаются электричеством, полученным с помощью света. Хорошие полупроводниковые панели превращают в электричество примерно 20 процентов попадающей на них солнечной энергии, и энтузиасты в своих гаражах уже строят автомобили и яхты на солнечной тяге (см. „Наука и жизнь“ № 6, 2001 г.).

Экспериментальная солнечная электростанция, построенная в Германии, вырабатывает 11 тысяч киловатт-часов электроэнергии в год. То есть эти огромные панели развивают мощность не более 3 кВт; её может хватить для питания электричеством только одной квартиры или небольшого дома.
Но накормить таким способом города и страны — совсем другое дело. Огромные панели занимают много места, и на их работу сильно влияют капризы погоды. Поэтому предлагается когда-нибудь запустить на высокую околоземную орбиту спутники с огромными, километровых размеров панелями солнечных батарей и оттуда, с орбиты, гнать энергию на Землю с помощью мощнейшего луча радиоволн. Но как это будет влиять на экологию планеты — большой вопрос!

Пока же хорошо использовать солнечную энергию умеют только растения. Не случайно нынешних изобретателей так привлекает „старый способ“ — сжигание древесины. Но так, чтобы получать в основном не тепло, а горючий газ, который можно будет вывозить с лесных энергетических плантаций в баллонах или транспортировать по трубопроводам.

Кое-где в ощутимых масштабах энергию добывают, используя вторичные эффекты солнечной активности — ветер и круговорот воды, питающий реки. Есть в резерве ещё и неостывшие недра планеты — уже на глубине 100–200 километров её температура измеряется сотнями градусов. Энергию подбрасывает нам заведённое миллиарды лет назад небесное перпетуум-мобиле — Луна. Вращаясь вокруг Земли, она создаёт на ней приливные волны, от которых только на побережье морей и океанов в принципе можно было бы собрать энергетический урожай, составляющий 10 процентов наших нынешних потребностей. Новую область крупномасштабной химической энергетики мог бы открыть водород, если дёшево и безопасно добывать, хранить и сжигать его.


Перспективным источником энергии сегодня во многих странах считаются ветроэлектростанции (ВЭС). Только в одной Германии построено свыше 700 гигантских „ветряков“ суммарной мощностью более 100 МВт. Однако и эти „даровые“ электростанции имеют целый ряд недостатков. Они сильно зависят от капризов погоды и всё-таки небезвредны для окружающей среды.
А ещё есть в наших закромах огромные запасы энергии, припрятанные природой в атомных ядрах, о чём мы вскоре поговорим особо.

Одним словом, в целом источников энергии немало, проблема лишь в том, как эту энергию извлечь, как её пустить в дело, затратив не слишком много сил. И не испортив при этом Природу — среду нашего обитания.

Машина, работающая в двух совершенно разных режимах

Как было только что отмечено, энергией нас снабжают в основном атомы и молекулы. Горят дрова, взрываются в цилиндрах автомобильного двигателя пары бензина, сгорает газ в паровых котлах городской электростанции — во всех этих случаях определённые атомы в молекулах топлива соединяются с кислородом. При этом объединяются и перестраиваются некоторые их электронные орбиты, и в результате такой перестройки новая молекулярная система выбрасывает во внешний мир то, что для неё оказалось лишним — порцию энергии. Для разных химических реакций это разная порция, но всегда не очень большая — несколько электрон-вольт. Напомним, что электрон-вольт (эВ) — это одна из единиц измерения энергии, так же как метр или дюйм — одна из единиц измерения длины. Энергия 1 эВ появится у электрона, если его ускорить в электрическим поле с разностью потенциалов в 1 вольт. Более крупная единица — мегаэлектронвольт, 1 МэВ = 1 000 000 эВ. Лампочка небольшого карманного фонарика за минуту потребляет примерно сто миллиардов МэВ.

Не зная всех этих подробностей, человек тысячи лет использовал энергию горения. Глубокие исследования мира атомов и молекул позволили постепенно понять суть дела и в итоге открыли для энергетики принципиально новые возможности. В частности, в начале прошлого века стало выясняться, что энергетическая машина „Атом“ может выдавать во внешний мир энергию, работая, так сказать, в двух совершенно разных режимах и используя при этом две разные силы — электромагнитную и ядерную.


Реакторы будущего могут использовать энергию синтеза ядер, протекающую по четырём основным схемам с участием дейтерия (D), трития (T), нейтронов (n) и протонов (p). Наиболее перспективной считается первая, в которой из 17,6 МэВ энергии 3,5 МэВ уносит 4He, а 14,1 МэВ — нейтрон. В последней реакции основная доля энергии приходится на гамма-излучение (g).
В настоящее время известны всего четыре разновидности сил или взаимодействий: ядерные, электромагнитные, гравитационные и слабые. Другие науке не известны! Почему их именно четыре? Почему они такие, какие есть, а не другие? Почему действуют так, как они действуют, а не как-нибудь иначе? На подобные вопросы сегодня есть один ответ — так устроен мир, в котором мы живём (см. „Наука и жизнь“ № 11, 2000 г.). Первые две силы из великолепной четвёрки нам хорошо известны — мы неоднократно видели их в работе. Это гравитация (бутерброд падает на пол) и электромагнитные силы (клочки бумаги тянутся к натёртой расчёске, железные опилки — к магниту). Две другие силы нельзя обнаружить столь же просто, они действуют лишь в атомном ядре, причём на очень малых расстояниях — меньше триллионной доли миллиметра. Это третья по счёту ядерная, или иначе — сильная, сила и четвёртая по счёту — слабая сила (название не самое удачное: она на много порядков сильнее гравитации).

Ядерные силы стягивают, или, как часто говорят, склеивают, тяжёлые частицы атомного ядра — протоны и нейтроны. И для такого склеивания, стягивания протонов и нейтронов в единое ядро силы нужны немалые. Достаточно вспомнить, что у протонов есть положительный заряд, а одноимённые заряды, как известно, взаимно отталкиваются. Причём на малых внутриядерных расстояниях протоны расталкиваются особенно энергично, ядерные силы должны быть действительно очень сильными, чтобы ядра не разваливались и мир был стабильным, устойчивым.

Вместе с тем в каких-то случаях и в атомных ядрах могут происходить изменения, в том числе и такие, после которых от ядерных сил требуется меньше усилий и их избыток уходит из ядра в виде порции энергии. В принципе происходит то же самое, что и при химических реакциях, при изменениях в электронной структуре атомов — атом меняет своё состояние, и это сопровождается выделением уже не нужной ему энергии. Но только изменения в атомных ядрах, изменения с участием могучих ядерных сил сопровождаются несравнимо большим выделением энергии, чем дают химические процессы, то есть процессы в электронных оболочках, где в основном действуют не очень мощные (в сравнении с ядерными) электромагнитные силы.

В этом одно из главных достоинств атомной, или, лучше сказать, ядерной, энергетики — каждый участвующий в деле атом выдаёт в миллионы раз больше энергии, чем при химических реакциях. Второе достоинстово — запасы ядерного топлива достаточно велики, а для ядерного синтеза, где энергию получают в основном из ядер водорода и топливом может служить обычная вода, — практически безграничны.

Стакан воды вместо бочки бензина

Существуют два поставщика ядерной энергии — деление, распад атомных ядер и создание, синтез нового ядра из двух слившихся более простых ядер. Реакции деления, в частности деление атомных ядер урана, используется в современных, так сказать, традиционных атомных электростанциях. Их в мире уже работает больше четырёхсот общей мощностью почти 350 гигаватт (1 ГВт = 109 Вт), что составляет более 4 процентов мировой энергетики. А в некоторых странах они производят весьма заметную часть электроэнергии — во Франции, например, 75 процентов, в Бельгии — 58, в Японии — 35, в США — 20, в России — 14.

Что же касается синтеза, то здесь реально речь идёт об одном виде таких ядерных реакций — о слиянии двух ядер водорода, точнее его изотопов, в одно ядро, в ядро гелия. Каждое такое слияние двух водородных ядер в расчёте на единицу массы даёт во много раз больше энергии, чем деление уранового ядра, и при этом не сопровождается появлением радиоактивных отходов. Наконец, ещё одно достоинство — водорода чрезвычайно много и на Земле, и во Вселенной. Не случайно при сотворении мира Природа выбрала именно водородный синтез для своих энергетических агрегатов — для звёзд. Так, в частности, вся гигантская энергия, которую выдаёт наше Солнце, в том числе тепло и свет, попадающий на Землю (0,0000001 процента общей солнечной мощности), рождается из ряда ядерных реакций синтеза. Поняв это, вполне естественно было подумать о том, чтобы воспроизвести водородный синтез в земных условиях — заставить маленькое прирученное Солнце щедро кормить нас энергией. Тогда уже не нужно будет опасаться энергетического голода — водород можно брать из воды, а её у нас немерено. К тому же ядерные реакции — это вам не слабосильное горение, водородный синтез позволит из стакана обычной воды, в которой есть и молекулы D2О, получить столько энергии, сколько даёт сжигание целой бочки бензина.

Невидимые миру слёзы


Принципиальная схема ТОКАМАКа. Вакуумная камера в форме тора заполнена смесью изотопов водорода и свободных электронов. Она охватывает стальной сердечник, играя роль вторичной обмотки трансформатора. На первичную обмотку подаётся переменное напряжение, индуцирующее в камере электрический ток — движение электронов. Сталкиваясь с атомами, электроны высокой энергии ионизуют их — сила тока возрастает. В камере возникает плазма. На камеру надеты обмотки тороидального поля, которое сжимает плазму в шнур. Поле полоидальных катушек удерживает плазменный шнур в центре камеры, не давая ему коснуться стенок.
Крылатое выражение „невидимые миру слёзы“ вполне можно отнести к многолетним попыткам использовать водородный синтез в большой энергетике. Широкая публика часто слышала о том, что в этой области проводятся интересные исследования, строятся экспериментальные установки, что наука весело и успешно приближается к намеченной цели. Но мало кто знает, с какими сложными, порой, казалось, неразрешимыми проблемами сталкивались физики и инженеры, как много появлялось на их пути совершенно неожиданных препятствий, как дорого приходилось платить чуть ли ни за каждое продвижение вперёд. Достигнутый сегодня рубеж — технический проект термоядерного реактора — не только итог многолетних усилий многих тысяч профессионалов высочайшего уровня. Это на самом деле ещё и напоминание о мужестве учёных и инженеров, умеющих держать удар и разумно рисковать, преодолевать, казалось бы, непреодолимое и, сделав ставку на математический прогноз, начинать работы стоимостью в миллионы долларов, взяв на себя ответственность за результат.

Невозможно рассказать обо всех задачах, которые решались и ещё только решаются на пути к энергетическому реактору ядерного синтеза. Но о некоторых из них полезно знать даже человеку, не имеющему возможности вникать в детали, — это поможет почувствовать масштабы проблемы.

Получать энергию от ядерного синтеза научились почти полвека назад, но лишь в виде неуправляемой лавины — в водородной бомбе. А энергетике нужен не взрыв, а ровное „горение“, непрерывное выделение энергии. Иначе говоря, энергетике нужен управляемый термоядерный синтез, сокращенно УТС.


Так выглядит в разрезе термоядерный реактор ИТЭР. Его вакуумная камера 1 снабжена дивертором 2 — устройством, искажающим магнитное поле так, что оно превращается в ловушку для „отходов производства“, которые непрерывно откачиваются в процессе работы. Роль первичной обмотки играет центральный соленоид 3, катушки тороидального поля 4 охватывают камеру, а полоидального 5 — окружают её. Камера со всех сторон покрыта бланкетом 6, играющим роль поглотителя нейтронов и теплоизолятора. Весь реактор помещён в кожух-криостат 7; сверхпроводящая магнитная система охлаждается жидким гелием до температуры 4,5 K и окружена слоем жидкого азота с температурой около 70 K.
Настал, видимо, момент пояснить значение приставки „термо“ в слове „термояд“, которая появилась вместе с названием самого проекта ИТЭР. Чтобы получить ядро гелия из двух ядер водорода, нужно с огромной силой столкнуть эти ядра. Тогда они смогут преодолеть взаимное электрическое отталкивание (не забудьте: ядро водорода — это протон, частица с положительным электрическим зарядом) и сблизиться до чрезвычайно малого расстояния 10–13 см, когда уже начинают действовать ядерные силы.

Процесс синтеза обычно осуществляют в газообразном водороде, нагретом до очень высокой температуры: чем выше температура, тем больше средняя энергия хаотически движущихся частиц газа. Правильнее, пожалуй, сказать иначе: температура — это мера интенсивности движения частиц, мера их скорости и, следовательно, их кинетической энергии. Чем выше температура, тем больше ядер имеют энергию, позволяющую преодолеть электрическое расталкивание и сблизиться для последующего слияния в ядро гелия.

Для эффективного ядерного синтеза нужно нагреть водородный газ до температуры в сотни миллионов градусов. Для получения большой энергии при синтезе ядер гелия используют изотопы водорода — тяжёлый водород дейтерий и сверхтяжёлый — тритий. Однако для упрощения мы будем там, где это возможно, называть эти изотопы просто водородом. И ещё одно терминологическое замечание — при высокой температуре атомы сбрасывают свои электронные оболочки и вместо водородного газа, состоящего из нейтральных атомов, образуется плазма — в целом квазинейтральная смесь свободных атомных ядер и свободных электронов.


Секция вакуумной камеры в цехе завода-изготовителя. Размеры этой гигантской детали должны быть выдержаны с точностью до пяти миллиметров.
Итак, для ядерного синтеза водородный газ нужно очень сильно нагреть, попутно превратив его в водородную, а точнее дейтерий-тритиевую, плазму. С ростом температуры возрастает вероятность слияния водородных ядер, а значит, и эффективность процесса — выход высвободившейся энергии. Здесь, правда, есть немало тонкостей. Температуру, в частности, можно снизить, не потеряв эффективности, если увеличить давление водородного газа, но при этом возникает ряд новых проблем. В лабораторных установках для термоядерного синтеза плазма имеет температуру 50–100 миллионов градусов, а в ИТЕРе она будет поддерживаться на уровне 150–200 миллионов. В недрах Солнца ядерный синтез идёт при температуре 20 миллионов градусов, но там водород очень сильно сжат гравитационными силами — огромной солнечной массой.

Укрощение неукротимого

Стремление получить высокотемпературную плазму натолкнулось сразу на несколько очень сложных проблем. Во-первых, надлежало её нагреть до многих миллионов градусов. Во-вторых, чтобы сохранить высокую температуру плазмы, нужно изолировать её от стенок реактора, создать своего рода плазменное облако. В-третьих, это облако необходимо сделать абсолютно устойчивым, чтобы оно висело в пространстве, не смещаясь и ни к чему не прикасаясь.


Так будет выглядеть вакуумная камера в собранном виде.
Один из подходов к решению этих проблем сначала появился на листке бумаги в виде несложных схем и математических уравнений. Вскоре идея была реализована в установках, получивших наименование ТОКАМАК — от слов „тороидальная камера с магнитной катушкой“. В плазменном сгустке создавали электрический ток, и при этом, как у всякого тока, у него появлялось собственное магнитное поле — сгусток плазмы как бы сам становился магнитом. И тогда с помощью внешнего магнитного поля определённой конфигурации подвешивали плазменное облако в центре камеры, не позволяя ему соприкасаться со стенками.

В упрощённом виде сама камера для термоядерного синтеза в ТОКАМАКах — тороидальная, то есть по форме напоминает бублик. Из камеры откачивают воздух, чтобы посторонние атомы не вмешивались в процесс, а затем в неё вводят дейтерий-тритиевую смесь. Снаружи расположены катушки, подключенные к переменному электрическому напряжению. Подобно первичной обмотке трансформатора, они создают кольцевой ток в водородной плазме. В газе всегда есть свободные ионы и электроны, которые начинают двигаться в камере по кругу, как в короткозамкнутой вторичной трансформаторной обмотке. Этот ток нагревает газ, количество ионизированных атомов растёт, одновременно увеличивается сила тока и повышается температура плазмы. А значит, количество водородных ядер, слившихся в ядро гелия и выделивших энергию, становится всё больше.


Прежде чем будут изготовлены магнитные катушки термоядерного реактора, работоспособность сильноточных сверхпроводников проверяют на моделях в условиях, идентичных возникающим в ИТЭРе. Модельная катушка центрального соленоида (МКЦС) состоит из двух цилиндрических модулей основной обмотки, вставленных один в другой, и сменных однослойных катушек-вставок. На снимке: укладка слоя сверхпроводящей обмотки из сплава Nb3Sn внутреннего модуля МКЦС на фирме Lockheed Martin (США).
Подобную простую схему и имели в виду физики, когда почти пятьдесят лет назад в Москве, в Институте атомной энергии, построили первый в мире ТОКАМАК и начали первые эксперименты. Очень скоро выяснилось, что реальность вносит в теорию своё дополнение, с виду тоже очень простое: сгусток нагретой водородной плазмы, подвешенный в магнитном поле, оказался неустойчивым. Он довольно быстро, за тысячные доли секунды, распадался и вываливался на стенки камеры.

Оказалось, что к неустойчивости приводит комбинация нескольких сложных физических процессов. Здесь были различные виды колебаний и волн в плазме, возникающие в ней местные магнитные поля, блуждающие температурные неоднородности и масса других неожиданностей. Открывшийся плазменный хаос начали исследовать крупнейшие физики — М.А. Леонтович, Л.А. Арцимович, Р.З. Сагдеев, Д.Д. Рютов, Б.Б. Кадомцев, Е.П. Велихов, В.Д. Шафранов, Б.А. Трубников и многие, многие другие. Постепенно возникала ясность, а вместе с ней появлялись практические рекомендации по повышению устойчивости плазмы. Вот одна из них: уменьшить кольцевой ток в плазме и использовать для дополнительного нагрева мощные излучатели радиоволн сверхвысокой частоты — гиротроны.

Наружный модуль модельной катушки центрального соленоида, изготовленный компанией Toshiba (Япония).
Кроме того стало ясно, что время устойчивого удержания плазмы возрастает с увеличением размеров установки. Крупнейшая отечественная машина ТОКАМАК-15 уже имеет тороидальную вакуумную камеру с внешним диаметром „бублика“ более пяти метров. Крупные исследовательские токамаки были построены в России, Японии, США, Франции, Англии. А несколько лет назад специалисты пришли к выводу, что оставшиеся нерешённые проблемы нужно исследовать на установке, максимально приближённой к реальному энергетическому термоядерному реактору. Это понимание и привело к работам по созданию ИТЭРа.

Кстати, неустойчивость плазмы — серьёзная проблема не только токамаков, но практически и всех других установок для термоядерного синтеза. О некоторых из них уже давно пора сказать несколько слов.

Семь красных стрел атаки


Атомы водорода вводятся в камеру токамака, предварительно приобретя энергию 1 МэВ в системе линейного ионизатора, ускорителя и нейтрализатора.
Лет двадцать назад был придуман эффектный рисунок, отображающий основные методы, с которыми связывались надежды на решение проблемы управляемого термояда. Саму задачу представлял круг с надписью „УТС“, в который, как на карте военного наступления, с разных сторон упиралось больше десятка красных стрел с соответствующими надписями.

Сегодня таких стрел было бы нарисовано меньше. Какие-то методы не вышли ещё из сферы теоретических поисков, для других не видно пока реальных способов практического применения. Специалисты, скорее всего, оставили бы на карте семь красных стрел атаки:

  1. Токамак. О нём уже говорилось выше, но одно дополнение всё же необходимо. Оно будет сделано в самом конце, после оглашения всего списка.
  2. Стелларатор. Здесь, как и в ТОКАМАКе, плазма тоже подвешена в магнитном поле, но тока в ней нет. Греют плазму в основном мощным радиоизлучением, а держат её только сложной формы магнитные поля, созданные внешними катушками.
  3. Открытая ловушка, или, иначе, пробкотрон. В цилиндрическую вакуумную камеру, запертую магнитными пробками, точно выбрав направление, впрыскивают атомы, которые тормозятся в водородном газе и превращают его в горячую плазму. Удерживают её магнитные поля сложной конфигурации.
  4. Плазменный фокус. В вакуумной камере между двумя электродами создаётся мощный импульс тока, который быстро нагревает плазму и даёт всплеск ядерного синтеза. Плазма, как и в предыдущих случаях, связана с магнитным полем, но синтез идёт в импульсах микросекундной длительности.
  5. Лазерный термояд. Водородный синтез происходит в миллиметровых размеров шариках, наполненных дейтерием или дейтерий-тритиевой смесью в твёрдом либо газообразном состоянии. Шарики один за другим падают в рабочее пространство установки, где по ним поочерёдно со всех сторон ударяют мощные лазерные лучи. Они на лету сильно нагревают и сжимают шарик-мишень, в котором, как в водородной бомбе, происходит термоядерный микровзрыв и выделяется значительная энергия (см. „Наука и жизнь“ № 11, 1999 г.). Стрела „Лазерный термояд“ разветвляется на четыре самостоятельные стрелки — наряду с лазерными лучами в таком инерционном синтезе пытаются использовать мощные пучки электронов, лёгких и тяжёлых ионов.
  6. Мюонный катализ. В дейтерий-тритиевый газ вводят мю-мезоны (мюоны) — частицы с таким же отрицательным зарядом, как у электрона, но в 200 раз более тяжёлые. С участием мюонов в большом количестве образуются напоминающие атом конструкции — мюон вращается вокруг двух сблизившихся, но пока ещё независимых ядер дейтерия и трития. Этот „тяжёлый электрон“ находится на орбите, весьма близкой к ядрам, и сильно „сжимает“ их своим электрическим полем. Ядра сливаются, выделяя порцию энергии, и такой процесс с одним мюоном повторяется более ста раз. Так что мюон действует как катализатор — облегчает и ускоряет ядерный синтез, снижает необходимую для него температуру.
  7. Галатея. Традиционные магнитные ловушки, перечисленные выше, имеют одно общее свойство: плазма и магнитное поле в них „перемешаны“. Это приводит к нескольким неприятным явлениям, одно из которых — неустойчивость плазменного шнура. Заряженные частицы плазмы движутся в поле по спиралям, образуя круговые токи. Собственные магнитные поля токов направлены противоположно полям внешним, и при их взаимодействии возникает сила, выталкивающая плазму из поля.


В постройке экспериментального термоядерного реактора принимают участие большинство развитых стран мира. На снимке: завершается проверка деталей ИТЭРа (диверторов), сделанных в США и Японии.
В устройствах, называемых галатеями, магнитное поле образует своего рода „корку“, или „забор“, который отбрасывает вылетающую частицу внутрь плазменного шнура. Для этого внутри плазменного объёма нужно подвесить сверхпроводящие кольца, по которым циркулирует электрический ток. Один из вариантов такого „магнитотермоядерного реактора“ был предложен А.Д. Сахаровым в 1950 году (см. „Наука и жизнь“ № 12, 2000 г.).

Есть и другие, ещё более экзотические проекты. Предлагается, например, осуществлять термоядерную реакцию, сталкивая пучки ионов дейтерия в коллайдере (см. „Наука и жизнь“ № 1, 2000 г.).

А теперь обещанное дополнение касательно ТОКАМАКа. От всех других установок и методов этот вариант проведения управляемой термоядерной реакции отличается прежде всего тем, что он в основном уже вышел из сферы сомнений и поисков. Благодаря накопленной за пятьдесят лет исследований обширной базе физических и инженерно-технических данных он вплотную подошёл к стадии экспериментального реактора. Это, видимо, и вдохновило международное сообщество на создание ИТЭРа.

Велосипед лучше иметь личный, а реактор — общий


Академик Евгений Велихов, председатель Совета программы ИТЭР: „Можно радоваться тому, что проект ИТЭР готов, что мы завершили эту гигантскую работу. Но думать нужно главным образом о том, как, не затягивая дела, построить этот реактор“.
Такой грандиозный проект, как ИТЭР, — дело сложное, небыстрое и дорогое. К тому же плазменная система, имеющая практически бесконечное число степеней свободы, в принципе не может быть рассчитана до конца. Предсказать её поведение со стопроцентной точностью невозможно. Этим она отличается даже от самых больших ускорителей заряженных частиц, целиком основанных на хорошо известных законах электродинамики. Даже богатой стране нет никакого смысла делать его в одиночку — результатом будут знания и опыт, которые всё равно станут общим достоянием и в национальную экономику сразу ничего не внесут.

Доктор Питер Барнард (Канада): „Мы отправлялись в Москву с тяжёлым настроением, но буквально за час до вылета оно резко изменилось — было получено официальное согласие правительства на строительство реактора ИТЭР в нашей стране на выбранной нами прекрасной площадке в районе озера Онтарио, недалеко от Торонто“.
В то же время, объединив усилия, можно резко ускорить продвижение к своему работающему термояду и снизить собственные затраты. Поэтому в 1992 году было подписано соглашение о совместном техническом конструировании реактора ИТЭР под эгидой МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии). А его концептуальное проектирование по инициативе нашей страны началось на четыре года раньше. В команду проектировщиков ИТЭРа вошли специалисты Европейского союза, России, США и Японии. В 1999 году США вышли из четвёрки. Сами американские физики объясняли это трудностями финансирования и недостаточным вниманием администрации США к энергетике. Но сейчас в Москве американцы несколько раз отмечали, что после недавних серьёзных энергетических проблем в Калифорнии, самом богатом штате, администрация меняет своё отношение к делу, и США ушли из ИТЭРа, не захлопнув дверь навсегда. В то же время как самостоятельный участник проекта после официального предложения своей территории под строительство ИТЭРа в программу вошла Канада. До этого она вместе с Казахстаном была ассоциированным членом итэровской команды и работала в рамках команды Евроатома (а Казахстан — команды России).


Профессор Дэвид Болдвин (США): „Два года назад мы вышли из программы ИТЭР, но, к счастью, не захлопнули за собой дверь. Нынешняя новая администрация на собственном опыте поняла, насколько серьёзными могут стать энергетические проблемы, и такое понимание в итоге может поддержать тех, кто считает, что нужно вернуться в эту программу“.
Даже несколько фактов и цифр, взятых из Технического проекта, завершение которого недавно отметили „Дни ИТЭР“ в Москве, позволяют представить себе эту огромную и сложную машину. Здесь же мы скажем, что высота вакуумной камеры — 15 метров (пятиэтажный дом), а внешний диаметр — более 12 метров. Само же здание кубической формы, со стороной более 70 метров, где разместится реактор со всеми вспомогательными системами, поднимется над землёй как минимум на двадцать жилых этажей.


Доктор физико-математических наук Ирина Тажибаева (Казахстан): „Мы счастливы, что Правительство нашей республики изыскало средства на участие в работах и наш Национальный ядерный центр сможет внести вклад в реализацию проекта ИТЭР“.
Одна из главных деталей ИТЭРа (если это сооружение можно считать деталью) называется „бланкет“, в переводе на русский „одеяло“. Бланкет со всех сторон охватывает кольцо плазмы, и родившиеся при синтезе основные носители энергии — 14-мэвные нейтроны — отдают её бланкету, сильно нагревая его. В бланкете находятся теплообменники, по которым пропускают воду. Полученный пар вращает паровую турбину, а она — ротор генератора. Так могла бы в общем виде выглядеть схема термоядерной электростанции.

До электрогенератора в ИТЭРе дело пока ещё не дойдёт (хотя здесь и нет принципиальных трудностей), но эксплуатация реактора позволит прояснить детали процесса, необходимые для постройки термоядерной электростанции.

Каждый участник проекта взял на себя часть немалого финансового бремени и создал свою, как её назвали, домашнюю команду, которая имела особое задание. При этом нужно помнить, что технический проект реактора — это не только рулоны чертежей, вернее, не только бессчётные компьютерные файлы. Практически это первый глобальный проект, созданный в „электронном виде“.

Профессор Масаджи Иошикава (Япония): „Можно назвать много достоинств термоядерной энергетики, но для широкой публики сегодня особенно важно то, что термояд — самый экологически чистый и наиболее безопасный способ производства электроэнергии в больших масштабах“.
Большинство решений принималось впервые и требовало экспериментальной проверки. Поэтому прототипы почти всех узлов были изготовлены, исследованы, одобрены экспертами и лишь после этого вошли в проектную документацию. Так что, как говорится, дело за малым — остаётся из нескольких предложений (Франция, Япония, Канада) выбрать строительную площадку, распределить доли финансовых затрат между участниками и построить ИТЭР в течение ближайших восьми лет — таковы расчётные темпы строительства. Ну а дальше — новые поиски, исследования, испытания. И в итоге — проект опытно-промышленной термоядерной электростанции (ТЯЭС), на которой станут отрабатываться все вопросы получения энергии для будущих поколений человечества. Другой энергетики пока не предвидится.

Если бы во времена Пушкина…

Если бы во времена Пушкина сказать людям, что через несколько десятилетий в их дома по тонким металлическим ниткам придёт какое-то электричество и зажжёт яркие лампы вместо свечей, этому вряд ли кто-нибудь поверил. А ведь именно так и случилось — уже в конце XIX века электричество стало реальной работающей силой, хотя незадолго до этого даже образованные граждане считали его не более чем предметом лабораторных фокусов. Лишь немногим больше столетия отделяет эту справедливую по тем временам репутацию от нынешних мощнейших электростанций и покрывших планету электрических сетей, от электропоездов, дуговых металлургических печей, телефона и телевидения. Что-то похожее может произойти и со столь нужным человечеству неисчерпаемым источником энергии — управляемым термоядерным синтезом, УТС.

Есть верный признак того, что дело УТС движется к успеху — в мировой прессе стали появляться публикации о приоритете, в частности о том, кто первый придумал добывать энергию из горячей плазмы. В связи с этим уместно вспомнить, что первый документ с описанием подобной идеи — письмо служившего на Дальнем Востоке сержанта Олега Александровича Лаврентьева (ныне доктор физико-математических наук, работает в Харьковском физико-техническом институте), которое он в 1949 году отправил Сталину. В письме несколько наивно, но в принципе разумно предлагалось получать термоядерную энергию, удерживая плазму с помощью полей, правда не магнитных, а электрических. Письмо переслали профессионалам, уже занимавшимся проблемой термояда. А.Д. Сахаров впоследствии подтвердил приоритет оригинальности идей самодеятельного физика о возможности мирного использования термоядерных реакций.

Если перевести взгляд из прошлого в будущее, то придется честно отметить, что, по прогнозам, управляемый термояд ещё 20–30 лет будет оставаться предметом исследований, экспериментальных установок, проектов и популярных статей в газетах и журналах. Но, по прогнозам же и даже по просчитанным планам, через несколько десятилетий термояд должен стать работающей реальностью.

Символом УТС можно считать картину, обошедшую когда-то многие издания. На берегу океана (моря, озера, реки) стоит электростанция, топливом для которой служит вода. Именно вода: в некоторой части её молекул вместо водорода всегда есть тяжёлый водород — дейтерий, необходимый для реакций синтеза. Расход воды невелик — несколько цистерн могут сутки кормить электричеством большой город, такой, скажем, как Рязань, Одесса или Бостон. (Ещё раз напомним наглядный пример: при „сжигании“ дейтерия, содержащегося в литре воды из крана, выделяется столько же энергии, сколько её имеется в 400 литрах бензина.) Да и то реально расходуется лишь ~0,016% всей массы воды (атомы дейтерия), а остальные ~99,84% возвращаются в водоём. Полное же количество дейтерия в океане составляет около 4·1013 тонн. Его хватит для производства 1020 киловатт-лет электроэнергии. Так что, похоже, человек нашёл для себя безвредный и практически неисчерпаемый энергетический источник. Но, конечно, нашёл не так, как дрова, нефть или уголь, не наткнулся случайно. Физики выявили этот источник, высмотрели его у природы, извлекли из полной неясности и неизвестности, прорисовав важнейшие детали в нашей картине мира.

Картина мира, открытая наукой, особенно физикой последнего столетия, — величайшее достижение человеческого разума, изменившее всё наше миропонимание. Поэтому вполне справедливо известное „что-то физики в почёте“, тем более, что именно физики первыми встали стеной против смертельно опасного „что-то лирики в загоне“. И вот ещё что примечательно — пребывание в мире высоких материй удивительным образом сочетается у физиков с умением извлекать из них практические результаты, то, что реально работает на человека. Именно из физики пришли к нам персональные компьютеры и идеи генетического кода, гигантские воздушные лайнеры, понимание механизмов кровоснабжения и цветные телевизоры. Сегодня на наших глазах, взяв на себя главную заботу и главную ответственность, физика небыстро, но планомерно, шаг за шагом, продвигается к решению ещё одной задачи, жизненно важной для человека и человечества, — к созданию энергетического изобилия.

Сколько топлива на земле

Энергию, столь необходимую человечеству, сегодня получают в основном за счёт сжигания углеродного топлива. Часть энергии (в ряде стран — немалую) дают атомные электростанции, работающие за счёт деления радиоактивного изотопа урана 235U, количество которого составляет только 0,71% от общей массы природного урана. Практически всё остальное — его „негорючий“ изотоп 238U. Однако делящиеся изотопы урана и плутония (239Pu) нетрудно получить искусственно, облучая потоком нейтронов уран 238U и торий 232Th :

238U + n ® 239Pu + 2e +g + 2n~ ;

232Th + n ® 233U + e + g + n~ .

В качестве своего рода „побочных продуктов“ реакции при каждом взаимодействии возникает гамма-излучение (g) и вылетают электроны(e) и электронные антинейтрино (n~).

Наилучшим образом эти реакции проходят в ныне действующих реакторах-размножителях на быстрых нейтронах (бридерах), а в будущем, если потребуется, их можно будет проводить в бланкетах термоядерных реакторов.

Запасы сырья для ядерной энергии синтеза (лития, из которого получают тритий) примерно в 30 раз превышают запасы урана и тория, пригодных для получения энергии деления. К тому же на тритии будут работать термоядерные реакторы только первого поколения. Уже сейчас идёт работа по созданию реактора на безнейтронных реакциях синтеза, например на 3He (3He + 3He ® 4He + 2p+ + 12,8 Мэв) и других лёгких ядрах. А всё органическое топливо Земли — нефть, газ и уголь — может дать только одну стомиллионную часть этой энергии. При современной мощности мировой энергетики запасов органического топлива, в первую очередь угля, хватит лет на двести, а сырья для ядерной энергетики — на тысячелетия.

Откуда берутся тритий и дейтерий

Изотоп водорода, содержащий два „лишних“ нейтрона — тритий 3H, или T, имеет период полураспада 12,26 года. Количество природного трития на Земле не превышает четырёх килограммов. Но поскольку на его реакции с дейтерием основано действие термоядерного оружия, современные запасы трития исчисляются десятками килограммов. Откуда же он берётся?

В природе тритий образуется при бомбардировке нейтронами космического излучения атомов азота воздуха:

14N + n = 31T + 3 4He.

А в реакторах деления тритий получают за счёт взаимодействия с нейтронами ядер лития:

6Li + n = 3T + 4He.

Эта реакция проходит гораздо интенсивнее, чем природная, поэтому и количество трития удаётся поддерживать на должном уровне.

Дейтерий 2H, или D, стабилен, в природе имеется, хотя и в очень малых количествах — 0,015% общего количества водорода. Обыкновенная вода рек, озёр, морей и океанов хранит его в молекулах D2O — „тяжёлой воды“. Масса дейтерия в два раза больше массы водорода, поэтому скорости химических реакций между веществами, их содержащими, могут отличаться раз в 5 — 10. Эту особенность и используют для выделения дейтерия, применяя многоступенчатый электролиз воды, „выпаривание“ жидкого водорода и другие методы.

Магнитная система ИТЭР

Для магнитного удержания плазмы служат 18 обмоток тороидального поля (ОТП). Управляют положением и формой плазменного шнура 6 обмоток полоидального поля (ОПП) и набор корректирующих катушек. Индуктивное наведение тока в плазме осуществляется с помощью центрального соленоида (ЦС). Обмотки тороидального поля и центрального соленоида выполнены из сплава Nb3Sn, полоидального поля и корректирующих катушек — из NbTi; все они охлаждаются жидким гелием до температуры 4,5 К. Общий вес магнитной системы вместе с каркасом из нержавеющей стали — 8700 тонн.

В апреле 2000 года при испытании магнитной системы на стенде было получено поле с индукцией 13 тесла при токе 46 килоампер и с запасённой энергией 640 мегаджоулей. Катушки-вставки центрального соленоида в этом поле успешно выдержали 10 тысяч циклов заряд-разряд при подъёме поля со скоростью 0,4 Тл/с и его снижении 1,2 Тл/с, что превышает проектные значения для ИТЭРа. Именно прогресс в технике сверхпроводников и позволил осуществить сам этот реактор.

Гелий и безнейтронная энергетика

В качестве одного из перспективных направлений энергетики будущего специалисты рассматривают безнейтронные реакции синтеза, проходящие с участием изотопа гелия 3He:

3He + 3He ® 4He + 2p+ + 12,8 МэВ,

3He + D ® 4He + p+ + 8,35 МэВ.

Эти реакции не сопровождаются появлением потока нейтронов высокой энергии, и, следовательно, реакторы для их проведения будут проще, легче и безопаснее из-за отсутствия наведённой радиоактивности в конструкциях. Однако здесь есть одно „но“: 3He на Земле практически не встречается.

Природный гелий состоит из смеси двух изотопов — 4He и 3He, причём на долю последнего приходится только 0,000138%. Такое в высшей степени неравномерное распределение связано с тем, что 4He образуется при альфа-распаде урана (U), тория (Th) и других природных радионуклидов (напомним, что альфа-частица и есть ядро гелия). В тонне гранита, содержащей около трёх граммов урана и пятнадцати граммов тория, образуется только миллиграмм 4He почти за восемь миллионов лет. Однако за время существования Земли в коре планеты его накопилось немало. Природные газы содержат до 7% этого изотопа и служат единственным источником его промышленной добычи. А так называемый гелиевый метод — отношение масс He/(U + Th) в минералах — используется для определения их абсолютного возраста.

Изотоп 3He появляется в результате бета-распада (реакция, при которой ядро испускает электрон и нейтрино, меняя заряд на единицу) трития

13T ® 23He + e + n~

или при слиянии двух атомов дейтерия

D + D ® 3He + n.

Так как дейтерия на Земле в целом мало, а трития практически нет вообще, то и 3He обнаруживается в мизерных количествах. Зато на поверхности космических тел, лишённых атмосферы, где проходят интенсивные реакции с потоками солнечных нейтронов высокой энергии, этот изотоп образуется весьма активно. В метеоритном веществе и в лунных породах его содержание колеблется от 17 до 32%. Уже подсчитано, что в обозримом будущем станет экономически выгодно добывать 3He на Луне и доставлять его на Землю для использования в термоядерных реакторах синтеза.

Наука и жизнь

Статьи близкой тематики:
Размышления о некоторых проблемах энергетики.  А. Е. Шейндлин.
Луна и грош, или история гелиевой энергетики.  А. Петрукович.
Взрывная энергетика вместо управляемого термоядерного синтеза.  В. Парафонова.
Электрояд — это противо-яд?  Владилен Барашенков.
Петаватты, фемтосекунды и термояд.  В. Парафонова.
Ядерный синтез в лазерной искре.  В. Парафонова.




2003 Copyright © Peterlife.ru и компания Мобильная Версия v.2015 Новости Санкт-Петербурга. Женский интернет. Весёлый офис. Мужской клуб. Знакомства. Энциклопедии и справочники. Интересные статьи. Фирмы и организации России, бизнес новости компаний. Анонсы, пресс-релизы. Скидки, бонусы. Сотрудничество. Карьера, вакансии, работа. Рекламные услуги. Магазины. | Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт. | Партнёрская программа для магазинов и вебмастеров. | Купить скрипты Nevius. | PR Продвижение сайтов. | Купить хостинг Санкт-Петербурге.
  Яндекс цитирования Яндекс.Метрика