Кто угрожает России? Вызовы будущего
Шрифт:
Ток используется для нагрева плазмы лишь до температуры порядка 10 миллионов градусов, для получения большей температуры используются другие методы. Кроме того, постоянно нагревать плазму током опасно, поскольку он создает собственное магнитное поле, – если оно превысит по силе поле катушек, то скорость движения плазменного шнура сильно увеличится, и он, прорывая теплоизоляцию, коснется стенок. Поэтому дополнительный подогрев осуществляется посредством ультразвука, электромагнитных волн высокой частоты или введения в камеру пучков быстрых атомов.
Основные вехи овладения мирным термоядом таковы. В 1954 году сотрудники БЭП приступили к испытаниям фарфоровой тороидальной камеры с магнитной намоткой, которая стала прообразом будущих токамаков. В конце 1960-х на советском токамаке Т-3А была получена плазма с температурой электронов
Однако разогрев до солнечных температур – это самое начало пути. Токамак не является энергетической установкой – наоборот, он жрет энергию, ничего не давая взамен. Термоядерная электростанция должна строиться на иных принципах.
Прежде всего физики определились с топливом для термояда. Хотя принято писать о термоядерной энергетике как о «солнечной», эта метафора не вполне уместна. Основой внутрисолнечного термоядерного синтеза является так называемый водородный цикл, в ходе которого четыре протона превращаются в ядро гелия-4, два позитрона и два нейтрино. Этот цикл включает в себя несколько ядерных реакций, скорости которых зависят от температуры и плотности солнечных недр. Первая из них – превращение пары протонов в ядро дейтерия, позитрон и нейтрино, в среднем требует примерно 14 миллиардов лет (что сопоставимо с возрастом нашей Вселенной). Конечно же, некоторым протонам удается встретиться и объединиться и за меньшее время – ведь будь иначе, термоядерная печь в центре газопылевой туманности, которая 4,5 миллиарда лет назад дала начало нашему Солнцу, не зажглась бы и до сих пор. Однако из-за медлительности водородного цикла генерация энергии в центре Солнца в расчете на единицу массы смехотворно мала. Звучит парадоксально, но один грамм солнечной материи выделяет меньше тепла, чем грамм человеческого тела! Исполинская мощность излучения Солнца объясняется его гигантской массой, но в качестве источника энергии для электростанций водородный цикл явно не подходит.
К счастью, он не единственно возможный – существуют и другие варианты. Почти идеальной для энергетического реактора является реакция на основе слияния ядер изотопов водорода – дейтерия и трития (D + Т), в результате чего образуется ядро гелия-4 и нейтрон. Энерговыделение этой реакции меньше, чем в водородном цикле, зато счет времени идет лишь на секунды, посему такой синтез вполне устраивает конструкторов термоядерных реакторов. Источником дейтерия послужит обычная вода (примерно в одной из каждых 3350 молекул воды один из атомов водорода замещен дейтерием), а тритий будут получать из облученного нейтронами лития – самого легкого из всех металлов, третьего элемента таблицы Менделеева.
Для преодоления кулоновского отталкивания дейтериево-тритиевую плазму необходимо нагреть как минимум до 100 миллионов градусов. Однако эта температура сама по себе не повлечет за собой самоподдерживающийся термоядерный процесс. В среднем на каждые сто тысяч столкновений ядер дейтерия с ядрами трития приходится лишь один акт образования гелия. Поэтому для запуска реактора плазму следует не только подогреть, но и сильно сжать, увеличив таким образом частоту столкновений и выход гелия. Кроме того, плазму необходимо сохранить в таком состоянии достаточно долго, чтобы успело сгореть заметное количество термоядерного топлива. Понятно, что с позиций инженерного проектирования получается весьма нетривиальная задача.
Именно запредельная техническая сложность термоядерного реактора долгое время сдерживала развитие данного направления энергетики. Ведь сложность – это еще и вопрос стоимости. К примеру, в 1976 году Консультативный комитет по термоядерной энергии Министерства энергетики США попытался оценить сроки осуществления научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) на этапе создания демонстрационной (всего лишь демонстрационной!) термоядерной энергетической установки при разных вариантах финансирования исследований. При этом обнаружилось, что объемы существовавшего на тот момент годичного финансирования исследований
Помимо технической сложности и высокой стоимости, сдерживающим фактором выступает… размер. Дело в том, что термоядерную установку обсуждаемого типа нельзя создать и продемонстрировать в виде небольшой модели. Как было сказано выше, для термоядерного синтеза необходимо не только магнитное удержание плазмы, но и достаточный ее нагрев. Отношение же затрачиваемой и получаемой энергии возрастает пропорционально квадрату линейных размеров установки, вследствие чего научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на крупных станциях. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не существовало достаточной уверенности в успехе.
Эти проблемы могли быть обойдены только в одной стране мира – в Советском Союзе, в котором власти не жалели денег на перспективные разработки и мало прислушивались к «общественному мнению». И советские физики действительно вырвались вперед, научившись строить уникальные токамаки, которые сегодня являются предметом вожделения многих научных учреждений мира.
Однако с началом реформ и в СССР начали придавать значение финансовой отдаче, поэтому возникла идея кооперации усилий в рамках международного проекта. Впервые она обсуждалась на высоком уровне в начале октября 1985 года во время встречи Генерального секретаря ЦК КПСС Михаила Горбачева и французского президента Франсуа Миттерана. Идея получила дальнейшее развитие через полтора месяца, когда Горбачев провел в Женеве переговоры с президентом США Рональдом Рейганом. Вскоре определился первоначальный круг партнеров по разработке первой термоядерной электростанции: СССР, США, Евросоюз и Япония (со временем к ним присоединились КНР и Южная Корея). В 1999 году США вышли из числа участников этой программы, однако через четыре года сочли за благо в нее вернуться.
Итак, первый экспериментальный термоядерный реактор для энергетики будет всё-таки построен – в поселке Кадараш, который находится на юго-востоке Франции, поблизости от города Эксан-Прованс. Выбор места был предопределен: в 1988 году именно там ввели в эксплуатацию самый большой в мире плазменный реактор на сверхпроводящих магнитах Tore Supra.
К сожалению, установка, которую построят в Кадараше, всё еще не сможет работать в качестве термоядерной электростанции, но, возможно, приблизит время ее появления. Неслучайно ее назвали ITER – эта аббревиатура расшифровывается как International Thermonuclear Experimental Reactor, но имеет и символический смысл: по-латыни iter – дорога, путь. Таким образом, кадарашский реактор должен «проложить путь» к термоядерной энергетике будущего, которая обеспечит выживание человечества и после истощения запасов ископаемого топлива.
ITER устроен следующим образом. В его центральной части располагается тороидальная камера объемом около 2000 м3, заполненная тритий-дейтериевой плазмой, нагретой до температуры выше 100 миллионов градусов. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны покидают «магнитную бутылку» и сквозь «первую стенку» попадают в свободное пространство бланкета толщиной около метра. Внутри бланкета нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития – при этом количество образующегося трития должно не только обеспечивать потребности самой установки, но и быть даже несколько большим, что позволит обеспечивать тритием и другие станции. Кроме того, нейтроны должны разогревать «первую стенку» примерно до температуры 400 °C. Пока решено использовать в качестве материала стенки нержавеющую ауотенитную сталь, облицованную изнутри бериллиевыми пластинами. В дальнейшем конструкторы собираются создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000 °C, что может быть достигнуто за счет использования новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). Выделяющееся внутри бланкета тепло, как и в обычных станциях, отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем (содержащим, например, воду или гелий) и передается на вторичный контур, где и производится водяной пар, идущий в турбины, которые вырабатывают электроэнергию.