Термоядерная энергетика

Использование энергии термоядерного синтеза на сегодняшний день является одной из приоритетных задач в рамках концепции устойчивого развития. От того как скоро человечество освоит термоядерную реакцию с целью эффективного получения доступной электроэнергии зависит его будущее.

Традиционная атомная энергетика основана на реакциях ядерного распада. Эти реакции основаны на самопроизвольном дроблении тяжёлых ядер, сопровождающимся потоком радиоактивных частиц и энергии.

Процесс дробления ядер в атомных реакторах  инициируют и поддерживают на необходимом уровне управляемым потоком нейтронов.

Реакция термоядерного синтеза представляет собой получение тяжёлого ядра из двух или нескольких более легких. Образующаяся при этом энергия выделяется в виде высокоэнергетических нейтронов  и «частиц света» — фотонов.

Процесс синтеза тяжёлых ядер возможен только при очень высоких температурах, достигаемых в естественных условиях в недрах звёзд. При этих температурах кинетическая энергия ядер позволяет им преодолеть кулоновские силы отталкивания и сойтись настолько, чтобы началась реакция синтеза.

Термоядерный синтез, протекающий в недрах Солнца, — источник жизни на Земле.

Реакция термоядерного синтеза обладает рядом практических преимуществ по сравнению с реакцией ядерного распада.

Ядерный распад неизбежно сопровождается радиоактивным потоком осколков ядер, нейтронов и других массивных частиц.

При осуществлении реакции термоядерного синтеза существует принципиальная возможность избежать радиоактивного потока обладающих массой частиц.

«Чистая энергия» света будет в таком случае «энергетическим» продуктом реакции. Этот энергетический выход превращения избыточной массы в свет, «не влезающей» в тяжелое ядро после слияния лёгких, называют дефектом массы. Он строго подчиняется уравнению Эйнштейна E=mc².

Энергетический выход реакции термоядерного синтеза выше ядерных реакций распада, реализуемых в традиционных реакторах.

Поддержание реакции ядерного распада на должном уровне требует тщательно контролируемого человеком потока нейтронов. Превышение этого потока приводит к неуправляемой цепной реакции, воплощающейся в ядерном взрыве.

Управляемый термоядерный синтез лишён такой опасности и не требует источника нейтронов для своего осуществления. Необходимым условием протекания термоядерной реакции является не поток тяжёлых радиоактивных частиц, а высокая температура.

Справедливости ради, стоит отметить, что риск возникновения неуправляемой цепной реакции в современных атомных реакторах чрезвычайно низок.

Существующие ядерные реакторы в качестве топлива используют металлические или металлокерамические сплавы содержащие уран, торий или плутоний.

Высокий уровень радиоактивности сохраняет в течение миллионов лет как само топливо, так и остающиеся после отработки топливные элементы.

Чрезвычайно трудоёмки процессы производства этого топлива и его вторичного использования.

Нарушения в технологии сопряжены с высоким риском для окружающей среды. Более того, ядерное топливо можно использовать для создания атомного оружия.

Топливо для термоядерных реакторов лишено перечисленных недостатков.

Основным компонентом термоядерного топлива служит стабильный тяжелый изотоп водорода дейтерий (D), распространённый в природе в составе воды.

Наиболее доступная D-T реакция термоядерного синтеза требует наличия в качестве второго компонента нестабильного тяжёлого изотопа водорода трития (T) с периодом полураспада около 12-ти лет и потому встречающегося в природе в чрезвычайно малых концентрациях.

Тритий является одним из побочных продуктов в современных ядерных реакторах. Для продолжения запущенной D-T реакции необходимое количество трития можно получать в самом термоядерном реакторе из изотопов лития.

Основным недостатком самой D-T реакции и получения трития из лития для её протекания является поток нейтронов, что приводит к радиоактивному заражению защиты реактора и создает риск такого заражения для окружающей среды.

В будущем надеются освоить "безнейтронные" реакции. Например, возможно использовать в качестве топлива чистый дейтерий.

Процессы «поджига» и «горения» термоядерного топлива осуществляются при чрезвычайно высоких температурах. Они требуют изоляции горячей плазмы от элементов конструкции реактора.

На сегодняшний день реализовано минимум два подхода к «сжиганию» термоядерного топлива:

• Магнитное удержание плазмы

Исторически первым реализован способ магнитного удержания плазмы в 60-х годах на установке Т3 типа «Токамак» (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), построенной в СССР.

Магнитное поле в реакторах Токамак служит для разогрева и удержания горячей плазмы.

На сегодняшний день построено несколько сотен Токамаков, крупнейшие из них европейский JET (Joint Europeus Tor) и американский TFTR (Test Fusion Tokamak Reactor).

Во многих успешно реализован термоядерный синтез, но продолжительность горения в рекордных случаях составляет менее секунды. До сих пор ученые не могут достигнуть рубежа эффективного выхода энергии, позволяющего осуществить устойчивое «горение» термоядерной плазмы в течение длительного времени.

Преодоление этого барьера означает возможность «зажигания» плазмы, то есть достижения состояния при котором термоядерное «горение» в магнитной ловушке Токамака будет поддерживаться без внешнего источника энергии.

Однако выход энергии, полученной в результате термоядерного синтеза, уже превышает ее расходы на создание горячей плазмы.

Международный проект ITER (International Tokamak Experimental Reactor), начал во Франции строительство реактора по типу Токамака, цель которого продемонстрировать до 2018-го года стабильное «горение» термоядерной плазмы.

• Инерционное удержание плазмы

Принципиально иной подход инерционного удержания плазмы состоит в создании огромного давления по воображаемой поверхности объёма, внутри которого заключена «сжигаемая» мишень, используя энергию света лазерных пушек.

В этом случае не требуется поддержания «горящей» плазмы. В камеру синхронно выстреливаются мишени с термоядерным топливом, бомбардируемые световым импульсом, что приводит к порционному образованию огромного количества энергии.

Этот подход реализуется в проекте NIF (National Ignition Facility) при Калифорнийской Ливермурской Национальной Лаборатории имени Лоуренса.

NIF на сегодняшний день самая большая и мощная лазерная пушка, способная раз в 5 часов производить наносекундный выстрел энергией 1,8 МДж в УФ-диапазоне, что эквивалентно мощности в 500 триллионов Вт.

В 2010 году на NIF планируется произвести первые «стрельбы» по мишеням с термоядерным топливом с целью осуществления термоядерного синтеза.

До начала экспериментов по практическому использованию энергии управляемого термоядерного синтеза ещё далеко, но первые шаги уже сделаны.

Перспективы использования термоядерной энергетики включают несколько моментов:

• Эффективность

Термоядерные реакции эффективнее реакций ядерного распада. Они дают больший выход энергии и не оставляют после себя отработанного радиоактивного топлива.

• Доступность

Дейтерий является основным, и в будущем, возможно, единственным компонентом термоядерного топлива. Это стабильный тяжёлый изотоп водорода, повсеместно распространенный в природе в составе простой воды.

• Безопасность

Управляемый термоядерный синтез исключает возможность цепной реакции. Даже при полном разрушении реактора, в атмосферу попадёт ничтожно малое количество радиоактивного короткоживущего трития.

• Технологичность

Не потребуется совершенно новых технологий для превращения тепловой энергии термоядерного синтеза в электроэнергию. Термоядерная энергетика обладает преемственностью по отношению к традиционной ядерной.

• Радиоактивность

Единственным поводом для опасений пока является чрезвычайно высокая радиоактивность, генерируемая D-T плазмой. Поток нейтронов в 100 раз больше образуемого в традиционных атомных реакторах. Кроме того, любой источник нейтронов можно использовать для получения оружейного ядерного топлива.

Но этот момент потеряет со временем свою актуальность при переходе на «безнейтронные» реакции.

Приход термоядерной энергетики на смену ядерной неизбежен. Скорее всего, речь идёт о ближайших двух десятилетиях.

Копирайтер: Абрамов Евгений