Термоядерная энергетика

По современным физическим представлениям, существует всего несколько фундаментальных источников энергии, которые, в принципе, могут быть освоены и использованы человечеством. Ядерные реакции синтеза – это один из таких источников энергии. В реакциях синтеза энергия производится за счет работы ядерных сил, совершаемых при слиянии ядер легких элементов и образовании более тяжелых ядер. Эти реакции широко распространены в природе – считается, что энергия звезд и, в том числе, Солнца производится в результате цепочки ядерных реакций синтеза, превращающих четыре ядра атома водорода в ядро гелия. Можно сказать, что Солнце – это большой естественный термоядерный реактор, снабжающий энергией экологическую систему Земли.

В настоящее время, более 85% энергии производимой человеком получается при сжигании органических топлив – угля, нефти и природного газа. Этот дешевый источник энергии, освоенный человеком около 200 – 300 лет назад, привел к быстрому развитию человеческого общества, его благосостоянию и, как результат, к росту народонаселения Земли. Предполагается, что из-за роста народонаселения и более равномерного потребления энергии по регионам, производство энергии возрастет к 2050 г примерно в три раза по сравнению с нынешним уровнем и достигнет 10²¹ Дж в год. Не вызывает сомнения, что в обозримом будущем прежний источник энергии – органические топлива – придется заменить на другие виды производства энергии. Это произойдет как по причине истощения природных ресурсов, так и по причине загрязнения окружающей среды, которое по оценкам специалистов должно наступить гораздо раньше, чем будут выработаны дешевые природные ресурсы (нынешний способ производства энергии использует атмосферу в качестве помойки, выбрасывая ежедневно 17 млн. тонн углекислого и других газов, сопутствующих сжиганию топлив). Переход от органических топлив к широкомасштабной альтернативной энергетике ожидается в середине XXI века. Предполагается, что будущая энергетика будет более широко, чем нынешняя энергетическая система, использовать разнообразные и, в том числе, возобновляемые источники энергии, такие как: солнечная энергия, энергия ветра, гидроэлектроэнергия, выращивание и сжигание биомассы и ядерная энергия. Доля каждого источника энергии в общем производстве энергии будет определяться структурой потребления энергии и экономической эффективностью каждого из этих источников энергии.

В нынешнем индустриальном обществе более половины энергии используется в режиме постоянного потребления, не зависящего от времени суток и сезона. На эту постоянную базовую мощность накладываются суточные и сезонные колебания. Таким образом, энергетическая система должна состоять из базовой энергетики, которая снабжает общество энергией на постоянном или квазипостоянном уровне, и энергетических ресурсов, которые используются по мере надобности. Ожидается, что возобновляемые источники энергии такие, как солнечная энергия, сжигание биомассы и др., будут использоваться, в основном, в переменной составляющей потребления энергии. Основной и единственный кандидат для базовой энергетики – это ядерная энергия. В настоящее время, для получения энергии освоены лишь ядерные реакции деления, которые используются на современных атомных электростанциях. Управляемый термоядерный синтез – пока лишь потенциальный кандидат для базовой энергетики.

Какие же преимущества имеет термоядерный синтез по сравнению с ядерными реакциями деления, которые позволяют надеяться на широкомасштабное развитие термоядерной энергетики? Основное и принципиальное отличие заключается в отсутствии долгоживущих радиоактивных отходов, которые характерны для ядерных реакторов деления. И хотя в процессе работы термоядерного реактора первая стенка активируется нейтронами, выбор подходящих низкоактивируемых конструкционных материалов открывает принципиальную возможность создания термоядерного реактора, в котором наведенная активность первой стенки будет снижаться до полностью безопасного уровня за тридцать лет после остановки реактора. Это означает, что выработавший ресурс реактор нужно будет законсервировать всего на 30 лет, после чего материалы могут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Эта ситуация принципиально отличается от реакторов деления, которые производят радиоактивные расходы, требующие переработки и хранения в течение десятков тысяч лет. Кроме низкой радиоактивности, термоядерная энергетика имеет огромные, практически неисчерпаемые запасы топлива и других необходимых материалов, достаточных для производства энергии в течение многих сотен, если не тысяч лет.

Именно эти преимущества побудили основные ядерные страны начать в середине 1950 гг. широкомасштабные исследования по управляемому термоядерному синтезу. В Советском Союзе и США к этому времени уже были проведены первые успешные испытания водородных бомб, которые подтвердили принципиальную возможность использования энергии ядерного синтеза в земных условиях. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 г исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества. Водородная бомба была создана всего за несколько лет, и в то время казалось, что цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 1950 гг., получат термоядерную плазму. Однако, потребовалось более 40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 г самая крупная термоядерная установка – Европейский ТОКАМАК (JET) получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.

Что же явилось причиной такой задержки? Оказалось, что для достижения цели физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не догадывались в начале пути. В течение этих 40 лет была создана наука – физика плазмы, которая позволила понять и описать сложные физические процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить не менее сложные проблемы, в том числе, научиться создавать глубокий вакуум в больших объемах, подобрать и испытать подходящие конструкционные материалы, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать импульсные системы питания, способные создавать мощные пучки частиц, разработать методы высокочастотного нагрева смеси и многое другое.

Предложение об использовании управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей и конкретная схема с использованием термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем были впервые сформулированы советским физиком О.А. Лаврентьевым в середине 1950 г. Эта работа послужила катализатором советских исследований по проблеме управляемого термоядерного синтеза. А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм в 1951 г. предложили модифицировать схему, предложив теоретическую основу термоядерного реактора, где плазма имела бы форму тора и удерживалась магнитным полем.

Красивый термин «токамак» был придуман позже И.Н. Головиным, учеником академика Курчатова. Первоначально он звучал как «токамаг» – сокращение от слов «тороидальная камера магнитная», но Н.А. Явлинский, автор первой тороидальной системы, предложил заменить «-маг» на «-мак» для благозвучия. В последующем эта версия была заимствована всеми языками. Первый токамак был построен в 1955 г., и долгое время токамаки существовали только в СССР. Лишь после 1968 г., когда на токамаке T-3, построенном в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова под руководством академика Л.А. Арцимовича, была достигнута температура плазмы 10 млн. градусов, и английские ученые со своей аппаратурой подтвердили этот факт, в который поначалу отказывались верить, в мире начался настоящий бум токамаков. Начиная с 1973 г. программу исследований физики плазмы на токамаках возглавил Б.Б. Кадомцев.

В настоящее время токамак считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

(Слайд 18)

Самая крупная для своего времени термоядерная установка

«Токамак-10» (1975 г., ИАЭ им. И.В. Курчатова)

(Слайд 19)

Момент сборки установки «Токамак-15»

(1988 год, ИАЭ им. И.В. Курчатова)

(Слайд 20)

Современный токамак (КНР)

I TER (ИТЭР) – проект международного экспериментального термоядерного реактора. Задача ИТЭР заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора (макет – сечение реактора – представлен на (Слайд 21)) и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути.

Первоначально название «ITER» было образовано как сокращение англ. International Thermonuclear Experimental Reactor, но в настоящее время оно официально не считается аббревиатурой, а связывается со словом лат. Iter – путь.

Страны-участницы: страны ЕС (выступают как единое целое), Индия, Китай, Республика Корея, Россия, США, Канада, Япония.

В настоящее время проектирование реактора полностью закончено и выбрано место для его строительства – исследовательский центр Кадараш на юге Франции, в 60 км от Марселя.

История – основные этапы

• Ноябрь 1985 г. – СССР предложил создать токамак нового поколения с участием стран, наиболее продвинувшихся в изучении термоядерных реакций.

• 1988 – 1990 гг. – силами советских, американских, японских и европейских ученых и инженеров была проведена успешная концептуальная проработка проекта термоядерного реактора, получившего современное обозначение ITER.

• 21 июля 1992 г. – в Вашингтоне было подписано четырехстороннее (ЕС, Россия, США, Япония) межправи-тельственное соглашение о разработке инженерного проекта ITER.

• 2001 г. – технический проект реактора ITER был успешно завершен.

• 1996 г. – США вышли из проекта.

• 2001 – 2003 гг. – к участию в проекте присоединяется Канада.

• 2003 г. – США вернулись к участию в проекте, а также к ним присоединились Китай и Южная Корея.

• 28 июня 2005 г. – в Москве министры шести сторон-участниц проекта ИТЭР подписали протокол, который определяет место строительства. Международный экспериментальный термоядерный реактор будет построен на юге Франции в исследовательском центре Кадараш.

• 6 декабря 2005 г. – к консорциуму присоединилась Индия.

• 25 мая 2006 г. в Брюсселе участниками консорциума подписано соглашение о начале практической реализации проекта в 2007 г.

• 1 сентября 2006 – правительство России приняло решение подписать соглашение о создании Международной организации по реализации проекта исследовательского термоядерного экспериментального реактора (ITER), которая будет обладать правами юридического лица способного заключать соглашения с государствами и международными организациями.

• Декабрь 2006 г. – подписаны 40 первых контрактов с персоналом, объявлено о еще 56 открытых рабочих местах.

• 2007 – 2019 гг. – период строительства реактора.

• 2026 г. – первые реакции термоядерного синтеза

• 2019 – 2037 гг. – ожидаются эксперименты, по истечении которых проект будет закрыт.

• После 2040 г. реактор станет производить электроэнергию (при условии успешных экспериментов).

П одготовка строительной площадки началась в январе 2007 г.

Сооружения ITER (проект комплекса – (Слайд 22)) будут располагаться в общей сложности на 180 га земли коммуны Сен-Поль-ле-Дюранс (Прованс – Альпы – Лазурный Берег, регион южной Франции), которая уже стала домом для французского ядерного научно-исследовательского центра СЕА (Commissariat à l'énergie atomique, Комиссариат атомной энергетики).

Наиболее важная часть ITER – сам токамак и все служебные помещения – будут располагаться на площадке в 1 км длиной и 400 м шириной. Предполагается, что строительство продлится до 2017 г. Основная работа на этом этапе выполняется под руководством французского агентства ITER, а в сущности CEA. В целом сооружения ITER будут представлять собой 60-метровый колосс весом 23 тыс. тонн.

Технические данные

ITER относится к термоядерным реакторам типа «токамак». Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

Проектные характеристики:

• общий радиус конструкции – 10,7 м;

• высота – 30 м;

• большой радиус плазмы – 6,2 м;

• малый радиус плазмы – 2,0 м;

• объем плазмы – 837 м³;

• мощность внешнего нагрева плазмы – 40 МВт;

• термоядерная мощность – 500 МВт;

• средняя температура – 10⁸K (десять миллионов градусов по шкале Кельвина).

Финансирование

Стоимость проекта первоначально оценивалась в 12 млрд. долларов. Доли участников распределятся следующим образом:

• Китай, Индия, Корея, Россия, США – каждая по 1/11 суммы;

• Япония – 2/11;

• ЕС – 4/11.

В июле 2010 г. из-за изменения проекта и удорожания материалов стоимость строительства международного термоядерного реактора (ITER) была скорректирована и увеличилась до 15 млрд. евро.

Таким образом, доля ЕС в проекте должна быть увеличена с 2,7 млрд. евро до 7,2 млрд.