16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/epr/187/13629.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 23-24 (187-188) декабрь 2011 года

Будет ли успешным термоядерный синтез?

Наука и новые технологии К. т. н. Анатолий ЖУРАВЛЕВ, директор НПФ «Лена» 1629

В текущем году «ЭПР» уже писала о том, что Евросоюз в условиях жесткой экономии решил прекратить финансирование проекта международного экспериментального термоядерного реактора.

Активную роль в проекте играла Россия (теперь мы планируем скооперироваться с Китаем и Индией), бывшая в прошлом веке лидером в данном разделе прикладной физики. Интересно, что по этому направлению Россия (СССР) сразу же взяла курс на международное научное сотрудничество, хотя тема напрямую вытекала из успеха взрывного термоядерного синтеза в виде водородной бомбы. Научный руководитель атомного комплекса Игорь Курчатов в середине пятидесятых на конференции в Великобритании сделал сенсационный доклад, в котором раскрыл принцип магнитного удержания высокотемпературной плазмы в реакторах, получивших название «Токамак». До сих пор это основная схема постоянно действующего термоядерного реактора.

Надо полагать, что Игорь Васильевич понимал сложность и дороговизну проекта, почему и предложил реализовывать его «всем миром». Хотя за дело взялись корифеи отечественной науки при финансировании, сопоставимом с затратами на всю науку в СССР, продвижение к цели было крайне медленным.

Некоторые академики скептически смотрят на термоядерный способ генерации электроэнергии. К ним относится нобелевский лауреат Жорес Алферов. Он прогнозирует, что к концу XXI века 80 процентов электричества будет вырабатываться на полупроводниковых гелиоЭС, причем резонно замечает, что это будет использование «термоядерной энергии», только предоставленной Солнцем.



Энергетический потенциал

Рассмотрим вопрос с точки зрения энергетики, то есть преобразования энергии синтеза ядер в электричество. Прежде всего отметим, что ресурсы термоядерной энергии примерно равны ресурсам атомной энергии деления. В первом случае они определяются мировыми запасами урана и тория, а во втором – лития, из которого при бомбардировке нейтронами получается тритий – радиоактивный тяжелый изотоп водорода. При слиянии ядер дейтерия (стабильного изотопа водорода) и трития образуется ядро гелия и испускается нейтрон. Данная термоядерная реакция является единственной практически значимой. В атомной энергии деления учтена возможность полного сжигания природного урана в реакторах на быстрых нейтронах. Причем промышленное получение энергии с генерацией электричества в реакторах такого типа освоено в России, имеется длительный опыт эксплуатации (реактор БН-600 на Белоярской АЭС).

Прибегнем к аналогии: атомный реактор синтеза можно сравнить с заряженным электрическим аккумулятором: замкнул кнопкой цепь, и ток пошел на выполнение полезной работы (при пуске реактора извлекают регулирующие стержни, и начинает выделяться энергия). Запуск реактора синтеза напоминает холодный пуск дизеля где‑нибудь на планете Нептун при сверхнизких температурах, когда воздух жидкий, солярка, масло и охлаждающая жидкость твердые, да еще аккумулятор перемерз. После пуска двигателя, несмотря на мороз, его придется охлаждать, иначе цилиндры и поршни расплавятся.

Рассмотрим «Токамак» как тепловую машину. Взаимодействие электрического и магнитного полей удерживает плазму из смеси дейтерия и трития в ограниченном пространстве, одновременно нагревая ее. Вместо стенок цилиндра и поршня, сжимающих газ в двигателе, – силовые линии магнитного поля. Оценим энергию для запуска термоядерного реактора, необходимую минимально. Пусть плазма при 10  000 К излучает 0,4 Вт. Немного, но реально, так как используют довольно разреженную плазму. Ее разогревают как минимум до 40  000  000 К, то есть повышают температуру в четыре тысячи раз. Энергия излучения пропорциональна температуре в четвертой степени, значит, она возрастет в 256 триллионов раз и составит 100 триллионов Вт, или 100 миллиардов кВт, что в десятки раз превышает мощность всех электростанций планеты. Общие затраты энергии зависят от скорости нагрева плазмы.

Если ее н нагреть за одну стотысячную долю секунды, то понадобится порядка 300 кВт-ч, что вполне приемлемо. Стоит отметить, что такая скорость нагрева является по сути высокой, взрыв обычного боеприпаса, снаряженного гексогеном, происходит примерно в такой промежуток времени (скорость детонации не превышает 10 километров в секунду). Для начала термоядерной реакции необходимо некоторое время удерживать эту температуру, поскольку плазма в «Токамаке» разреженная, столкновения ядер происходят не часто, и не каждое приводит к слиянию. В этот промежуток времени энергия должна подаваться в реактор для компенсации затрат на излучение. Приняв это время за одну стотысячную секунды, мы получим еще 300 кВт-ч, суммарно 600, или около 2 миллионов кДж, что эквивалентно теплоте сгорания 50 килограммов нефти, которая при сгорании в кислороде даст температуру порядка 3500 К.

Но тепло не переносится от менее нагретого тела к более нагретому, перенос тепла от химического источника здесь невозможен, необходимо греть плазму за счет работы, скажем, электрического тока. 600 кВт-ч – немало, танк «Т-90» на таком запасе энергии может мчаться на максимальной скорости целый час. Все же накопить такое количество электричества для современной техники несложно, например, в батарее конденсаторов, но сложно разрядить батарею за десять микросекунд в тонкий плазменный шнур, не допустив замыкания на стенку реактора.

Здесь мы приходим к важной технической проблеме тепловых машин: поддержание градиента температур между нагревателем и холодильником при условии сохранения работоспособности элементов конструкции. В двигателе внутреннего сгорания такую задачу выполняет весьма сложная и громоздкая система охлаждения, на функционирование которой уходит заметная доля мощности двигателя. В «Токамаке» основную роль по сжатию и изоляции плазменного шнура играет магнитное поле. На его создание и сохранение во времени также необходима затрата электроэнергии. Очень важно, что эту энергию необходимо тратить как при разогреве реактора, так и при протекании термоядерных реакций, когда температура плазмы повысится, а энергия будет уноситься, помимо фотонов, нейтронами.



Заманчиво, но возможно ли?

В последние десятилетия в технике сверхсильных магнитных полей достигнуты огромные успехи благодаря применению сверхпроводников, только их использование сделало возможным сам проект международного термоядерного реактора.

Но хватит ли их мощи для удержания термоядерной плазмы в течение длительного времени? – большой вопрос. Тепловое давление плазмы пропорционально температуре, и с ним, по всем расчетам, магнитное поле управится. Но при температурах синтеза (40 миллионов К и выше) существенную роль будет играть взаимодействие фотонов с электронами. Давление света нарастает в такой степени, что отрывает электроны от положительно заряженных частиц и выносит из зоны высоких температур, при этом разделение зарядов приводит к появлению сильнейших электрических токов и, соответственно, магнитных полей, которые будут деформировать управляющее магнитное поле реактора.

Световое давление прямо пропорционально мощности излучения и, следовательно, четвертой степени абсолютной температуры. При запуске термоядерной реакции и повышении температуры до 100 миллионов К мощность излучения вырастет еще в тридцать раз и составит 3 триллиона кВт.

По опыту испытаний ядерного оружия в энергию электромагнитного импульса, индуцируемого давлением фотонов, превращается несколько процентов энергии взрыва. Ток такой мощности создает соответствующее магнитное поле, напряженность которого заведомо превысит напряженность управляющего поля.

Заметим, что силовые характеристики сверхпроводящих магнитных обмоток имеют ограничения. Отметим проблему механической прочности. Третий закон Ньютона действует и здесь, сверхсильные магнитные поля создают механические напряжения в сверхпроводящих обмотках, а известные сверхпроводники материалы хрупкие. Представляется крайне затруднительным поддержание сверхнизких температур в системе охлаждения, заполненной жидким гелием при температуре в несколько Кельвинов, при наличии в рамках конструкции одной тепловой машины нагревателя с рабочим телом, нагретым до 100 миллионов К. Мы должны вспомнить, что при таких температурах излучение испускается преимущественно высокоэнергичными гамма квантами с высокой проникающей способностью. Если гамма-излучение при температуре плазмы в 100 миллионов К уносит мощность в 300 миллиардов кВт, то при ослаблении в миллион раз останется 300 тысяч кВт. Такой поток энергии разрушит любую сверхпроводящую систему.

Еще сложнее защитить сверхпроводящую магнитную систему от потока быстрых нейтронов, уносящих значительную долю энергии термоядерных реакций Все системы защиты низкотемпературных магнитов от перегрева чисто геометрически увеличивают расстояние до плазменного шнура, и магнитные силы, согласно закону Кулона, ослабевают пропорционально квадрату расстояния, а они и без того слабы.

Наконец, если появятся новые сверхпроводники, создающие суперполя, как на нейтронной звезде, возникнет новая проблема, связанная с безопасностью: при малейшем перегреве системы низкотемпературного охлаждения магнитная энергия превратится в тепловую и произойдет сильнейший взрыв.

Вот несколько технических противоречий и нестыковок, делающих невозможным получение в термоядерных реакторах непрерывного действия полезной энергии. Рассмотренные проблемы не являются инженерными, а вытекают из фундаментальных физических законов. Гигантские цифры энергопотребления и энерговыделения при эксплуатации термоядерного реактора вполне реальны. Это такая тепловая машина, которая не может иметь маленькую мощность.



Теория и практика

Против научных исследований магнитного удержания плазмы в «Токамаках» ничего не имею, более того, считаю их фундаментальными, а не прикладными, поскольку автор имеет мнение, что энерговыделение в звездах, подобных Солнцу, происходит по подобному механизму. Cпектральный анализ показывает присутствие в атмосфере светила значительных концентраций тяжелых элементов, наличие которых требует повышенных температур протекания термоядерных реакций, что могут обеспечить сильные токи и магнитные поля. Аналогии между протуберанцами и движением плазмы в «Токамаке» вполне просматриваются.

В свете вышеизложенного выход европейцев из проекта термоядерного реактора представляется обоснованным. Российским же энергетикам лучше не распылять средства, а сосредоточить их в области создания энергетических реакторов на быстрых нейтронах, где просматривается энергетическое изобилие и коммерческий успех.

Энергосбыт, АЭС, Генерация, Изоляция , Мощность, Напряжение , Электричество , Электроэнергия , Энергия , Кабельная арматура, Провод, Электростанция,

Будет ли успешным термоядерный синтез?Код PHP" data-description="В текущем году «ЭПР» уже писала о том, что Евросоюз в условиях жесткой экономии решил прекратить финансирование проекта международного экспериментального термоядерного реактора. <br>" data-url="https://www.eprussia.ru/epr/187/13629.htm"" data-image="https://www.eprussia.ru/upload/iblock/7a7/7a796150ba43f7f57521a51e877a8e9b.jpg" >

Отправить на Email


Похожие Свежие Популярные

Войти или Зарегистрироваться, чтобы оставить комментарий.