Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Термоядерный реактор

Термоядерный синтез считается более чистой и мощной альтернативой энергии ядерного распада. Десятки лет ученые стремились создать долгоживующую управляемую термоядерную реакцию. Сегодня международный проект ИТЭР подошел как никогда близко к этому. О плазме, токамаках и текущем состоянии термоядерной отрасли ПостНауке рассказал физик Анатолий Красильников, директор проектного центра ИТЭР.Это материал из гида Атомы науки, приуроченного к 75-летию атомной промышленности. Партнер гида Росатом.Что такое термоядерный синтез?Термоядерный синтез происходит в нашей Вселенной повсеместно. Самые большие естественные лаборатории недра звезд. В 1920 году британский астрофизик Артур Эддингтон2 первым предположил, что светила черпают свою бесконечную энергию в ходе превращения водорода в гелий. Свои идею он описал в работе Внутреннее строение звезд. Она заложила основы современной теоретической астрофизики.Однако для того, чтобы точно понять процесс, о котором говорил Эддингтон, потребовались еще десятилетия. В 1939 году Ханс Бете1описал протон-протонный цикл термоядерных реакций, в ходе которого водород превращается в гелий в звездах, что принесло ему Нобелевскую премию по физике. Примерно в то же время Эрнест Резерфорд2 провел эксперимент, открывший путь современным исследованиям термоядерного синтеза. Он осуществил реакцию слияния ядер дейтерия (тяжелого изотопа водорода) с превращением в гелий, заметив, что был произведен огромный эффект.Помощник Резерфорда Марк Олифант сыграл ключевую роль в ранних экспериментах по термоядерному синтезу, открыв тритий, второй тяжелый изотоп водорода, и гелий-3, редкий изотоп гелия. Таким образом, уже к началу Второй мировой войны были заложены теоретические основы термоядерного синтеза. И хотя фундаментальной науке предстояло ответить на многие вопросы, первые реакторы уже были на чертежных листах.Но преждечем говорить о реакторах, давайте вспомним, как устроено атомное ядро. Известно, что оно состоит из протонов и нейтронов, число которых может варьироваться от единицы до очень больших значений.3Нуклоны именно так называют составляющие атомного ядра удерживаются вместе благодаря ядерным силам, которые называют сильным взаимодействием.
Любая ядерная реакция подразумевает либо обмен нуклонами, либо изменение их количества. Процесс, во время которого происходит превращение ядер в более легкие, называется ядерным распадом. Если же два ядра сливаются в одно более тяжелое, это называется термоядерным синтезом.Если говорить о легких элементах с числом нуклонов от одного до семи,3при их слиянии суммарная масса продуктов реакции синтеза,как правило, меньше суммарной массы исходных легких ядер, что в соответствии с Е=mc2 и приводит к высвобождению энергии в виде кинетической энергии получившихся продуктов.В качестве примера можно привести реакцию дейтерия и трития. Когда дейтерий и тритий сливаются, образуется альфа-частица (ядро гелия-4) и нейтрон. Суммарная масса конечных продуктов оказывается меньше, чем масса начальных продуктов дейтерия и трития. Разница в энергии связи начальных частиц и продуктов переходит в кинетическую энергию движения альфа-частиц и нейтронов. Собственно, именно этот перевод массы в кинетическую энергию и эксплуатирует термоядерная энергетика.
Для средней части таблицы Менделеева, которая охватывает элементы от 8 допримерно 90,подобный эффект несущественен. Он начинает снова проявляться у более тяжелых элементов, таких как уран или плутоний, однако уже при обратном процессе ядерном распаде, когда при делении крупного ядра на более легкие продуктымасса продуктов реакции меньше массы исходных ядер. Тогда снова возникает генерация энергии, которая выделяется в виде кинетической энергии разлетающихся продуктов реакции.И если ядерный распад встречается на Земле (все элементы после свинца в таблице Менделееварадиоактивны), термоядерный синтез возможен только в экстремальных условиях, напримерв звездах. Для тогочтобы термоядерная реакция произошла в принципе, исходные атомные ядра должны преодолеть так называемый кулоновский барьер силу электростатического отталкивания между ними, аналогичную силе, которая отталкивает любые положительные заряды друг от друга. Кроме того, существуетсечение термоядерной реакции, которое описывает вероятность того, что она произойдет в принципе.Зачем нужна термоядерная энергия?Сегодня человечество активно применяет энергию ядерного распада, и, казалось бы, зачем искать новые источники энергии, если у нас уже есть рабочая технология. Однако не все так просто. В подобных реакциях используются тяжелые элементы, например уран-235. Их ядра распадаются на более легкие осколки, которые обладают высокой кинетической энергией. Торможение осколковв топливе заставляет его разогреваться, и именно эту тепловую энергию и превращают за пределами реактора в электрическую.Но если пересчитывать ее количество на нуклон, то она оказывается не так велика по сравнению с термоядерным синтезом. Изотопы водорода дейтерий и тритий, которые планируется использовать в термоядерных реакторах, легкие:их атомная масса равна двум и трем, но при этом количество энергии, которое выделяется в ходе реакции, всего в 12 раз меньше, чем при делении тяжелого ядра урана. Поэтому удельное выделение энергии на один нуклон в термоядерном синтезе в конечном итоге оказывается намного выше, чем в реакциях деления, примерно в 4 раза.Еще одна проблема заключается в том, урана-235 в природе немного. Поэтому физикам, занимающимся ядерной энергетикой, приходится обогащать уран, то есть изменять его изотопный состав. Кроме того, запасы исходного урана исчерпаемы. По современным оценкам, их хватит примерно на 150 лет, а после человечеству придется искать новые источники энергии. Нефть и газ с большой долей вероятности к тому моменту закончатся, а солнечная энергетика слишком зависит от климатических условий.И здесь на помощь может прийти термоядерный синтез. Запасы дейтерия, который используется в качестве топлива, фактически неисчерпаемы, поскольку он находится в воде Мирового океана и вряд ли человечество сможет его когда-нибудь полностью выработать. Другой компонент, тритий, на Земле практически не существует. Но сегодня есть технологии получения трития с помощью облучения лития-6 нейтронами. Поскольку запасы лития-6 очень велики, а для превращения в тритий его нужно совсем немного сотни килограммов, его также можно считать почти неисчерпаемым источником топлива.Наконец, еще одна проблема ядерной энергетики радиоактивные отходы, которые нужно собирать и утилизировать. И с учетом того, что на атомных станциях существует пусть малая, но вероятность аварии, выброс радиоактивных веществ в окружающую среду может привести к трагедии. В этом смысле управляемый термоядерный синтез намного чище, поскольку его продуктами являются альфа-частицы и нейтроны. Альфа-частицыимеют очень небольшую проникающую способность их может остановить даже лист бумаги, а нейтроны хоть и оказывают ионизирующее воздействие, неспособны проникнуть глубоко в нержавеющую сталь, из которой выполнена вакуумная камера,максимумна метр. И поскольку вероятность взрыва в случае с термоядерной энергетикой внутренне исключена, она намного чище.Как осуществить управляемую термоядерную реакцию?Неуправляемый (взрывной)термоядерный синтез люди умеют осуществлять уже достаточно давно. В 1952 году США во время операции Иви Майкиспытали первое в мире термоядерное взрывное устройство правда, оно не имело практической ценности как оружие из-за габаритов и неудачно подобранного топлива. Зато через девять лет СССР провел испытания своей термоядерной бомбы АН6021. По разным данным, полная энергия взрыва в тротиловом эквиваленте составила от 57 до 58,6 мегатонны.Однако такой процесс, как следует из названия, контролю не поддается. Кроме того, помимо большой мощности взрыва, опасность представляет и радиоактивное загрязнение. Поэтому сегодня человечество стремится научиться управлять термоядерной энергией, и для этого ему нужна лаборатория термоядерный реактор.Еще один ключевой ингредиентуправляемой термоядерной реакции топливо, которое разогревается до состояния плазмы. Что такое плазма? В школьном курсе физики говорят, что в природе встречается три агрегатных состояния вещества: газообразное, жидкое и твердое. Однако есть и четвертое когда газ настолько горячий, что электроны в атомах отрываются от ядер. В результате получается смесь, состоящая уже не из атомов и молекул, а из электронови ионов. Это квазинейтральное образование (квазинейтральное значит, что суммарный заряд положительных и отрицательных частиц равен нулю) и называется плазмой.Однако не любая плазма подходит для термоядерного синтеза. Как уже говорилось ранее, чтобы реакция произошла в принципе, участвующие в ней положительно заряженные ядра должны преодолеть кулоновское отталкивание. Сделать это возможно, заставив частицы подойти друг к другу настолько близко, чтобы начали действовать ядерные силы, которые, к слову, очень короткодействующие. Для этого плазма должна быть разогрета до крайне высоких температур, от 150 до 300 миллионов C, чтобы входящие в ее состав частицы разогнались и, подобно бильярдным шарам, начали сталкиваться друг с другом.Кроме того, плазма должна быть достаточно плотной, иначе столкновения атомных ядер будут происходить недостаточно часто. Инаконец, плазменное образование должно жить достаточно долго для того, чтобы необходимое количество вещества вступило в реакцию.Как устроен термоядерный реактор?Сегодня существует два вида термоядерных реакторов стелларатор и токамак (магнитная катушка и тороидальная камера). Первый был изобретен Лайманом Спитцером в 1950 году, а второй советскими учеными Андреем Сахаровым и Игорем Таммом примерно в то же время. Несмотря на точто оба устройства представляют собой магнитные ловушки для удержания высокотемпературной плазмы, именно токамак считается наиболее перспективным для осуществления реакции термоядерного синтеза. Он лежит в основе многих экспериментальных установок, включая ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor) строящийся во Франции международный термоядерный реактор, который должен продемонстрировать возможность длительного (около 1000 секунд) горения термоядерной плазмы с термоядерной мощностью 500 МВт, что в 10 раз превышает мощность нагрева и поддержания плазмы.Токамак представляет собой вакуумную камеру в форме тора или бублик, которая окружена сверхпроводящими электромагнитами. Поскольку плазма взаимодействует с магнитным полем, а именно ее частицы двигаютсявдоль его силовых линий, электромагниты направляют ее так, что она путешествует внутри камеры, не касаясь ее стенок. При температуре в миллионы градусов они попросту испарятся. Кроме того, в токамаке также есть центральный электромагнит индуктор,который создает мощный ток и поддерживает стабильность плазмы.
Именно по такой схеме построен ИТЭР. Но несмотря на то, что звучит она довольно просто, это одна из самых сложных физических установок, которую когда-либо создавало человечество. Масса реактора составит около 23 тонн, а диаметр порядка 60 метров. Строительство сооружения началось еще в 2007 году в исследовательском центре Кадараш на юге Франции. Планировалось, что оно завершится еще три года назад, но процесс затянулся, и дату запуска перенесли на декабрь 2025 года.Чтобы реакция в токамаке началась, сначала необходимо откачать из него воздух это уберет остаточный газ, который не участвует в термальных реакциях, но способен переизлучать энергию, что приводит к увеличению ее потерь из плазмы. После этого в камеру запускается участвующее в термоядерном синтезе топливо газообразные дейтерий и тритий. Включаются магниты индуктора, создающие вихревое электрическое поле внутри тора такой амплитуды, чтобы в газе получился пробой.Что такое пробой? Его можно сравнить с молнией. Как только она проходит по бублику, газ ионизируется,то есть электроны отрываются от ионов, и вещество переходит в плазменное состояние.Получившаяся плазма приобретает форму, которую ей задает внешнее магнитное поле. Оно же удерживает ее, не позволяя касаться стенок реактора. Однако плазму необходимо не только удержать, но и раскалить до температуры, достаточной для начала термоядерной реакции. Для этого используются методы дополнительного нагрева: либо высокочастотные методы нагрева на циклотронных частотах для электронов и для ионов (ионный циклотронный нагрев или электронно-циклотронный нагрев), либо нейтральную инжекцию, когда в плазму впрыскиваются очень энергичные пучки атомов дейтерия и трития. Если температура плазмы составляет порядка 200 миллионов градусов, то энергия этих атомов должна быть в десять раз выше. При такой энергии атом влетает в плазму, быстро ионизуется, и этот ион начинает отдавать энергию за счет кулоновских столкновений с заряженными частицами в плазме и таким образом ее греет и запускает реакцию.В чем сложность создания токамака?В современном токамакостроении существуют две основные проблемы. Первая взаимодействие плазмы с первой стенкой реактора. Физики стремятся к тому, чтобы дейтерий и тритий, использующиеся в качестве топлива, не имели примесей. И если вещество материала, из которого изготовлена стенка, имеет высокое зарядовое число (Z), то и в плазму в результате ее взаимодействия со стенкой будут попадать загрязнителис высоким Z. Что это значит? Ионы с высоким значением Z имеют очень много электронов, и поэтому они способны переизлучать большое количество энергии из плазмы, что приводит к ее потерям. Более того, в результате этого процесса плазма может даже потухнуть, поэтому материал первой стенки должен иметь низкое Z.До сих пор в токамаках использовался графитлегкий материал, который слабо переизлучал энергию плазмы. Однако выяснилось, что он поглощает тритий, причем контролировать этот процесс нельзя, что создает проблемы, так как тритий радиоактивен. Поэтому в ИТЭР отказались от использования графита и перешли на бериллий. Он поглощает меньше трития, и его зарядовое число равно четырем это даже лучше, чем у графита. Но, в отличие от последнего, он менее жароустойчив к тепловым потокам. На сегодняшний деньспециалисты рассчитали, в каких режимах горения плазмы можно будет работать на ИТЭР (плотность ~1020 cм-3, температура ~150 миллионов градусов), но проверять теоретические выкладки придется экспериментальным путем.Альтернативой может служить жидкометаллическая литиевая стенка. В данном случае ее компоненты делаются из специальных конструкций, обращенные к плазме элементы которых пропитаны жидким литием. В отличие от бериллия,он имеет зарядовое число Z, равное трем. Кроме того, у жидкого металла есть одно неоспоримое преимущество:он не деградирует под действием радиации. Любая первая стенка постепенно накапливает дефекты кристаллической структуры из-за того, что на нее летит поток нейтронов и гамма-квантов. В конце концов она становится хрупкой, и ее приходится заменять. Экономически это крайне невыгодно, так как, во-первых, это очень дорогой объект, а во-вторых, такую работу можно поручить только роботу, так как пространство внутри камеры радиоактивно. Жидкометаллические стенки же представляют собой пористый материал, который можно сравнить с ватой,только сделана она не из хлопка, а из вольфрама. Литий через такую вату постоянно диффундирует и выходит на поверхность. И если в жидком литии образуется какой-то дефект, то он сразу же залечивается вновь поступающим литием. В результате получается своеобразная самовосстанавливающаясяпервая стенка, поскольку у жидкости нет кристаллической структуры. Однако сегодня на ИТЭР такое решение не реализуется в силу того, что не все технологические вопросы жидкометаллической первой стенки сегодня решены.Другая большая проблема организация длительного горения плазмы. Сегодня крупнейшие токамаки, такие как JET в Англии, способны удерживать плазму всего десять секунд. На ИТЭР планируется достичь уже тысячи секунд. Однако физики стремятся к тому, чтобы плазма горела часы, а не секунды и минуты, и для этого необходимо преодолеть два препятствия. Первое заставить электрический ток течь в течение долгого периода времени. Токамак это трансформатор, в котором ток генерируется принципиально импульсно. Чтобы создать неимпульсную генерацию тока, нужны методы, которые сейчас находятся лишь на стадии разработки. Второе препятствие примеси. По мере горения плазмы их количество увеличивается и в какой-то момент достигает критического значения, которое заставляет ее затухать. И это большая сложность, потому что сегодня ученые не умеют очищать плазму от ненужных примесей. Для экспериментальной разработки плазменных технологий термоядерного реактора предлагается построить еще одну установку токамак с реакторными технологиями, где соответствующие технологии будут отработаны перед использованием на будущем коммерческом термоядерном реакторе.
На какие вопросы поможет ответить ИТЭР?Благодаря ИТЭР физики смогут увидеть новое состояние вещества самоподдерживающуюся термоядерную плазму. В такой плазме все ионы и электроны благодаря внутренним столкновениям переходят в определенное стабильное распределение по скоростям. Однако, что очень важно, в плазме также присутствуют очень высокоэнергичные альфа-частицы. Они летят среди термализованных частиц с существенно меньшей энергий, что, несомненно, будет создавать колебания и неустойчивости.Сегодня об этих колебаниях и неустойчивости физики имеют лишь теоретическое представление, но никакого практического опыта управления подобным веществом у них нет. Происходящие в такой плазме процессы невозможно смоделировать даже на очень мощном суперкомпьютере. Планируется, что в камере ИТЭР будет перемещаться огромное количество частиц около 1028,каждая из которых обладает тремя степенями свободы, то есть конечное число степеней свободы будет равно 3х1028. Для современных технологий симуляция подобной плазмы непосильная задача.Поэтому ИТЭР будет служить гигантским полем для экспериментов, которое позволит ученым сделать шаг к новому фундаментальному знанию. Получив новое состояние вещества, физики смогут создать программные коды, которые помогут количественно смоделировать поведение термоядерной плазмы, и сравнить свои модели с результатами экспериментов.Кроме того, частицы в плазме движутся коллективно. Это значит, что они перемещаются не как единичная частица в поле остальных частиц. Одна частица чувствует другую, а те две чувствуют третьюи так далее. Для наглядности их можно сравнить с бегущей по лесу стаей волков, в которой животные перемещаются не по отдельности, а как группа. И в этом случае возникает вопрос: как спрогнозировать их движение? Сегодня нам неизвестно, какие законы управляют движением стаи частиц, однако наверняка есть факторы, которые определяют их как единое целое, и ИТЭР также может помочь физикам их найти и учесть.Наконец, новая экспериментальная установка позволит исследователям решить и практические вопросы. В частности, посмотреть, сколько энергии удастся произвести с ее помощью, а также понять, как быстро человечеству удастся перейти к следующему этапу строительству коммерческого термоядерного реактора.
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 29.12.2020 12:14:29
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, umnikizdes.ru