26 Апреля 2018

Освоение людьми термоядерной энергии. Управляемый термоядерный синтез

Опубликовал К.В. Кулик

         В соответствии с основополагающим законом природы о взаимопревращении энергии и массы, закон сохранения энергии расширяется до понятия сохранения энергии и массы. Изменение энергии тела Е связано с изменением массы этого тела m и реализуется по формуле Эйнштейна:

         Е=mc2;

         где с—скорость света, равная 3.108м/с.

         Ядерная энергетика, существующая на сегодняшний день, использует процесс деления ядер атомов тяжёлых элементов. И, так как, масса продуктов деления, получается меньше массы расщепляемого ядра на величину m, становится ясным, что дефицит массы, в соответствии с формулой Эйнштейна, превращается в энергию

         При делении ядер атомов, с меньшими, чем уран, атомными номерами, убавление массы, а значит и выделение энергии на один акт деления, будет меньшим. В средней части периодической системы Менделеева, расположены элементы, у которых, при делении ядер энергия не выделяется, а у элементов, находящихся ближе к началу таблицы, деление ядер вообще требует подвода энергии.

         Поэтому, возникает идея о том, что при соединении (синтезе) лёгких ядер, в более тяжёлые ядра элементов, находящихся ближе к началу периодической системы, энергия будет выделяться и ставится задача её использования. Процесс синтеза элементов с лёгкими ядрами с выделением энергии и является основой термоядерного процесса.

         Как считается, сегодня, энергия Солнца и других звёзд, возникает при процессе синтеза ядер атомов водорода, который протекает в недрах звёзд. Эта и есть термоядерная реакция, которая производит максимальную энергию, при расчёте на единицу массы ядер, которые участвуют в реакции.

         Учёные-физики считают, что осуществление этого процесса вне глубин звёзд, на Земле, невозможно, т.к. создание параметров плазмы, близких к солнечным, представляет собой невыполнимую задачу.

       Термоядерный синтез

         На Земле термоядерный синтез, возможно, будет реализован с помощью дейтерия, одного из изотопов водорода. Первая реакция термоядерного синтеза была реализована в водородной бомбе, при соединении дейтерия с тритием:

         2D+3T=4He+n+энергия (17,6 МэВ).

         Ядро атома дейтерия при соединении с ядром атома трития, создаёт ядро атома гелия и один нейтрон. На каждое, полученное в результате реакции синтеза, ядро атома гелия, выделяется энергия 17,6 МэВ. Причём, 80% этой энергии создаётся кинетической энергией нейтрона, а 20%--кинетической энергией полученной от ядра атома гелия.

         Вся эта энергия выделяется в доли секунды и создаёт огромные разрушения материальных объектов. Задача создания управляемого термоядерного источника энергии сводится к созданию устройства, где энергия будет выделяться гораздо медленнее и это даст возможность управлять ею, преобразовывать в приемлемые формы и использовать для нужд человечества.

         Работа идёт уже несколько десятилетий, но задача пока не решена. Трудность её решения заключается в материальной природе ядерных взаимодействий.

         Силы, способные слить два ядра атома в одно, другое ядро, действуют на очень малых расстояниях. Но на тех расстояниях, на которых положительно заряженные ядра существуют, действуют электростатические силы отталкивания, которые по величине обратно пропорциональны квадрату расстояния между ядрами и резко растут по мере их сближения.

         Для того чтобы ядра, которые сталкиваются при реакции, смогли преодолеть барьер электростатических сил отталкивания и приблизиться друг к другу, чтобы начали работать ядерные силы сближения, их надо разогнать до очень больших скоростей. Это осуществляется путём нагрева до очень высоких температур смеси ядер, вступающих в реакцию.

         Для создания реакции соединения дейтерий/дейтерий, газ необходимо нагреть до нескольких сотен миллионов градусов, а для осуществления реакции дейтерий/тритий—около 100млн градусов, что на сегодняшний день уже осуществимо и поэтому все усилия учёных направлены на реализацию этого варианта смеси газов.

         Нагрев плазмы дейтерия и трития до этой температуры и сохранение её в каком-то сосуде, представляет собой очень сложную инженерную задачу.

       Создание термоядерной энергии. Токомак

         Существует много конструкций устройств для создания термоядерной реакции, некоторые из них реализованы и на них проводят эксперименты, которые выявили большие трудности, даже в начальных подходах, к решению этих задач. Одним из таких устройств является конструкция, называемая «токомак».

         В тороидальную камеру, при низком давлении, закачивается смесь дейтерия с тритием. Эта смесь является хорошим проводником электрического тока и, когда по окружающим тороидальную камеру катушкам индуктора, пропускают ток, в газе, находящемся в камере, под действием индукции возникает электрический ток в плазме, силой несколько сотен килоампер. Под действием джоулевого тепла плазма нагревается до десятков миллионов градусов. Стенки камеры не могут выдержать этих температур и поэтому, расположенные вне камеры сверхпроводящие магниты, создают в камере тороидальной формы магнитное поле, которое сжимает плазму к оси тороида и она не соприкасается со стенками камеры.

         Однако, из-за неустойчивости плазмы, её форму очень трудно удерживать при этой температуре, а для протекания термоядерной реакции плазма должна удерживаться в течение некоторого времени.

         Расчёты показывают, что для реализации термоядерной реакции, должен выполняться, так называемый, критерий Лоусона:

         n =964; 8805; 1014;

         где n - концентрация атомов в 1см3;

         964 - время удержания плазмы.

         В токомаках создаётся концентрация атомов порядка 1014.1/см3, поэтому время удержания плазмы, должно быть более секунды.

         В различных термоядерных экспериментальных установках типа токомак, уже ранее, были достигнуты температуры и концентрация плазмы, приближающиеся к критерию Лоусона, при времени удержания плазмы 0,05 до 0,06 с. Сегодня время это составляет несколько секунд. Из этих экспериментов следует, что для реализации термоядерной реакции требуется ещё большее повышение температуры. Однако, индукционный нагрев, по-видимому, не имеет перспективы, т.к. при больших температурах проводимость плазмы резко возрастает, и энергия тратится на создание джоулевого тепла, что препятствует повышению температуры плазмы. Так, для повышения температуры до 20 млн. градусов, пришлось подавать в плазму разогнанные до больших скоростей в ускорителе нейтральные частицы, что естественно значительно усложнило работу установки.

         Расчёты показывают, что параметры плазмы и время её удержания растут, при увеличении геометрических размеров рабочей камеры токомака. В настоящее время, в экспериментальных установках, во всём мире уже достигнуты параметры плазмы, приближающиеся к необходимым, время удержания плазмы - несколько секунд, температура плазмы—10 ОК, критерий Лоусона—1014.

       Разработка установок, удерживающих плазму

         Сегодня, разработаны и экспериментально эксплуатируются установки с магнитным удержанием плазмы с использованием отличных от тороидальных конфигураций магнитных полей.

         Параллельно с методом магнитного удержания плазмы проводятся эксперименты для создания и удержания плазмы инерциальным способом. В этом методе, нагрев дейтерий-тритиевой смеси осуществляется методом последовательных термоядерных микровзрывов, интенсивность которых и частота следования подбираются таким образом, чтобы полученная таким образом энергия могла отводиться и быть использованной. Микровзрыв осуществляется в частице (мишени), состоящей из смеси дейтерия и трития, с учётом выполнения критерия Лоусона, т.е. скорость разлёта мишени должна ему соответствовать.

         В таких системах (инерциальных), это условие осуществляется за счёт больших, чем в плазме токомаков плотностей, поэтому мишень должна быть твёрдой и предварительно должна быть подвергнута сильному нагреву и сжатию.

         Такой способ осуществляется с помощью лазерного излучения или пучком электронов, разогнанных до больших скоростей и направленных со всех сторон на твёрдый шарик (мишень). Мощное выделение энергии на его поверхности, заставляет мгновенно испаряться материал шарика, который в виде пара с большими скоростями разлетается в разные стороны. Внутренние слои шарика, в результате сил отдачи сожмутся в тысячи раз, а энергия, падающего на шарик излучения, попадая внутрь, нагревает эти слои до высоких температур, что должно создать параметры для осуществления термоядерной реакции.

         Инженерное воплощение этого способа с использованием лазера, как источника внешней энергии заключается в следующем.

         Внутри сферической камеры, с радиусом в несколько метров помещается шарик диаметром 1-2 мм, который является мишенью из дейтерий-тритиевой смеси и в него направляют импульс лазера. Камера выполнена для фокусирования и подачи 12 лазерных лучей, равномерно по поверхности шарика. Энергия импульса от каждого лазера должна составлять порядка100 тысяч Дж при длительности в несколько наносекунд. В этих условиях мощность импульса от лазеров, попадающая на мишень достигает 1014Вт. Если время импульса будет больше расчётного, мишень испарится, и термоядерная энергия не возникает. Сегодня, в экспериментах с лазерными установками и электронными пучками получены величины сжатия близкие к условиям получения термоядерной энергии.

         Однако, эксперименты только подтверждают физическую возможность воплощения термоядерного процесса, а для воплощения в инженерную установку, необходимо решить ещё множество задач. Самая главная из них, получение энергии от процесса, хотя бы в несколько раз больше, чем энергия, которая потребляется на его поддержание.

         Процесс лазерного способа очень энергозатратен. К лазеру необходимо подвести энергия в 100 раз большую, чем он излучает, т.к. КПД лазера составляет несколько процентов. Обычно, электрическая и световая энергия, получаемая из тепловых процессов, используется в лазере с КПД не более 30%. Это означает, что для питания лазера необходимо использовать в 300 раз больше тепловой энергии, чем та, которую он излучает в виде импульса. Такая установка не сможет отдавать энергию, а сама должна потреблять её из внешнего источника.

         Существует ещё одна нерешённая проблема преобразования термоядерного процесса в электроэнергию. При реакции синтеза дейтерий /тритий энергия выделяется различным образом: 80%--с энергией быстрых нейтронов, 20%--с энергией ядер гелия (альфа-частиц), небольшая часть в виде гамма излучения. Создание устройств, преобразующих эти различные виды энергии, огромная инженерная задача, требующая своего решения.

         Есть концепция применения термоядерной энергии с помощью слоя, окружающего рабочую камеру, под названием бланкет. В этом слое накапливается энергия, попадающих в него нейтронов, источником которой служит сама ядерная реакция.

         При помещении в бланкет природного урана или урана, бедного изотопом 235U, попадающие в него нейтроны превратят ядра 238U в ядро плутония 239Pu, который можно применять в реакторах деления. Этот реактор размножитель называют гибридным.

         Проблемой для реакторов типа токомак является также создание сверхпроводящих магнитных систем и создание стенок рабочей камеры реактора, выдерживающей огромные механические и термические воздействия.

         На ближайшую перспективу применения в качестве сырья, претендует второй участник синтеза, это тритий. В природе тритий не существует и его надо вырабатывать по ядерной реакции:

         6Li+n=3T+4He

         Эту реакцию можно провести в самом термоядерном реакторе. Для этого в бланкете рабочей камеры размещают слой металла лития, который, по вышеуказанной реакции, будет превращаться, в тритий, который можно применять для основной термоядерной реакции. Таким образом, для термоядерной реакции, на сегодняшний день, сырьём является литий, который в земной коре содержится в достаточном количестве и, несмотря на то, что в природном литии, 6Li содержится всего7,4%, природных запасов лития хватит надолго.

         При осуществлении реакции D-D, перед человечеством откроется неисчерпаемый источник энергии. В обычной воде дейтерия содержится 1/6500 долей, по отношению к водороду, и этого количества должно хватить на получение энергии в 100 млн. раз большей, чем из всего органического топлива.

         Если, в обозримом будущем, человечеству удастся освоить управляемый термоядерный синтез, то проблема энергии будет решена надолго. Зато, встанут проблемы воздействия применения нового вида энергии на окружающую среду.