Приручение плазмы

В будущем (возможно, и не очень далеком) Homo станут немного больше sapiens и перестанут так азартно рубить сук, на котором сидят. Уходя из дома, наши потомки будут тщательно закрывать краны и гасить свет. Энергия дорога! Порой – бесценна.

2674 0 0

отправить по e-mail

Судите сами – сегодня один современный горожанин за день потребляет энергии больше, чем вся Римская империя за неделю. Речь ведь идет не только о показаниях электросчетчика. А транспорт? А пластмассы, из которых сделана львиная доля вещественных достижений цивилизации? На их производство уходят миллионы тонн нефти и газа. А еда (порой такая же «пластмассовая»), порождение аграрной революции и энергетической расточительности?

Согласно воззрениям современных философов, история человечества – сплошная и жестокая борьба за энергию. Многочисленные войны эту теорию блестяще подтверждают. И самые упертые пацифисты и антиглобалисты не в состоянии опровергнуть простой факт: разрушительная сила оружия – всего лишь отражение энергетических возможностей цивилизации. Искаженное, мутное, но все же отражение! Символично, что начало космической эры совпало с адским грохотом самых мощных рукотворных взрывов на планете – испытаний советских термоядерных бомб на Новой Земле. Новая эпоха – новые возможности!

Но термоядерный джинн пока глух к любым заклинаниям; в отличие от прочих способов получения энергии он не спешит перекочевать в мирную ипостась. Он гораздо строптивей своего младшего атомного брата, которого удалось запихать в реактор всего за десятилетие, заставив греть воду и извергать облака пара для огромных турбин. Управляемая термоядерная реакция остается настоящим граалем для любого рыцаря энергетики. Но стоит ли игра таких горячих и дорогих свеч? Давайте разберемся.

Как мы знаем, наше бытие определяется игрой всего лишь четырех сил: гравитационных, электромагнитных, слабых и сильных. Первая пара отличается глобальностью, формируя облик не только капель воды, молекул ДНК и проездных на метро, но и гигантских галактик, усыпанных желтыми карликами и нейтронными звездами. Область компетенции второй пары существенно меньше – это внутриатомные и внутриядерные взаимодействия. Но из такой «миниатюрности» вовсе не следует, что они слабы и никчемны! Наоборот, энергия связи протонов и нейтронов, за которую отвечают ядерные силы, огромна. А самое интересное, что «склеить» нуклоны, в принципе, проще простого: достаточно приблизить их друг к другу на нужное расстояние, и ядерные силы сами позаботятся о слиянии.

Правда, есть одна небольшая проблема – потенциальный барьер, порождаемый электромагнитными силами, точнее, отталкиванием одноименных зарядов. В микромире электромагнетизм играет такую же (если не более) важную роль, как и в обычной жизни. Именно барьер мешает водороду и его изотопам превращаться в гелий при сравнительно низких температурах (а такие реакции при больших плотностях вещества вполне вероятны). Чтобы пробить электрические «латы», нужна «пуля»!

«Пулю» можно получить, разогнав протоны до скорости, на которой кинетическая энергия станет выше потенциального барьера. А что есть скопище очень быстрых протонов? Правильно, плазма. Только в ней частицы имеют шанс при столкновении преодолеть барьер и начать реакцию синтеза. Но шанс этот не так уж велик. Дело в том, что у протона очень малое эффективное сечение.

На дистанции в 100 метров можно долго стрелять очередями в рублевую монету, но так и не попасть в нее. Если только она не в куче продукции Монетного двора. То есть простейший способ увеличить эффективное сечение – под большим давлением нарастить плотность вещества. Тогда на единицу объема будет приходиться больше частиц, и вероятность лобовых столкновений возрастет. Так, оперируя всего лишь здравым смыслом, мы пришли к фундаментальным условиям реакции синтеза.

Лунные запасы гелия-3 заставляют многих строить планы колонизации нашего спутника

Именно такие условия и существуют в звездных ядрах. Давление в миллионы атмосфер и температуры в несколько десятков миллионов градусов позволяют «сжигать» водород (точнее, превращать его в гелий) и высвобождать гигантскую энергию: каждая пара частиц при слиянии выдает на-гора около двух десятков мегаэлектрон-вольт. Пока воспроизвести процесс синтеза возможно, только если у вас исключительно недобрые намерения: речь идет о водородной бомбе, в которой необходимые условия для начала реакции возникают при атомном взрыве.

Очевидно, что такой способ «зажигать звезды» мало приемлем в трудной мирной жизни. Но слишком ослепительно сияние страны Эльдорадо, чтобы нас могли остановить какие-то трудности, сколько бы их ни было! Первая, она же и самая большая: как добиться стабильности плазменных сгустков? Как найти волшебный кувшин, способный выдержать термоядерного джинна?

При таких температурах ни о каких печах или колбах, даже из самых тугоплавких материалов, не может быть и речи. Рукотворное хранилище плазмы должно использовать ее электромагнитные свойства: ведь она представляет собой полностью ионизированный газ, идеально проводящий электрический ток. Если плазма находится в сильном магнитном поле, ионы и электроны движутся по спиралям вдоль его силовых линий. А что произойдет, если эти линии замкнуть, пропустив ток по соленоиду (односложной катушке цилиндрической формы), завернутому в «бублик»? Частицы плазмы, хотя бы чисто теоретически, должны будут двигаться вдоль этих линий-петель внутри тора. Подобная конструкция существенно выигрывает у открытых систем, у которых силовые линии поля выходят из торцов камеры наружу, а частицы остаются внутри замкнутой области благодаря ограничивающим движение частиц магнитным «пробкам».

На практике все оказалось гораздо сложнее. Плазма большой плотности оказалась крайне чувствительна к неравномерностям магнитного поля, и за несколько миллионных долей секунды она уходит из зоны удержания. Эти малоприятные процессы получили общее название «кинетическая неустойчивость», и проявляются они так разнообразно, что до сих пор толком не классифицированы, несмотря на интенсивные исследования.

Частично проблему кинетической неустойчивости может решить так называемый пинч-эффект (англ. pinch – сжатие), теоретически предсказанный физиком Уиллардом Беннеттом (Willard Bennett) в 1934 году. Суть его состоит в следующем: если к ионизованному проводящему газу приложить сильное электрическое поле, то в нем возникнет разрядный ток, одновременно с которым появится окружающее его магнитное поле. Взаимодействие магнитного поля с током приведет к появлению действующих на заряженные частицы газа сжимающих сил. Если ток протекает вдоль оси проводящего плазменного шнура, то возникающие радиальные силы подобно резиновым жгутам сжимают шнур, отодвигая границу плазмы от стенок содержащей ее камеры. Газ нагревается до высоких температур самим электрическим током. Современные варианты реализации пинч-эффекта – принципиальная основа перспективных проектов термоядерного реактора – токамака (ТОроидальной КАмеры с МАгнитными Катушками) и пинча с обращенным магнитным полем.

Создание токамаков дало термоядерной энергетике почву под ногами. Вместо зыбких теоретических построений ученые и инженеры теперь могут проводить реальные исследования свойств плазмы большой плотности.

Схема международного экспериментального термоядерного реактора ITER. Участники проекта: Европейский Союз, Япония, США (+Канада), Россия (+Казахстан), Китай, Южная Корея, Индия. Параметры проекта: Высота – 30 м. Диаметр – 21,4 м. Радиус камеры: внутренний – 2,0 м, внешний – 6,2 м. Объем плазмы – 837 м3. Потребляемая мощность – 500 МВт. Стоимость – 12 млрд долл.

ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЗАПРАВКА

Английский физик Джон Дэвид Лоусон (John David Lawson) в 1957 году определил теоретические постулаты эффективности термоядерной энергетики. Критерий Лоусона (это довольно громоздкая формула, связывающая множество параметров) позволяет выяснить некоторые предъявляемые к реактору синтеза общие требования, не зависящие от каких-либо его особенностей технологического или конструктивного характера. Проще всего (если так можно сказать о термоядерном синтезе) запустить дейтерий-тритиевую реакцию, к тому же требующую меньше энергии для активации (при энергетическом выходе 17,6 МэВ): 2H + 3H = 4He + n

Можно с большой долей вероятности предполагать, что первый промышленный реактор будет работать именно на смеси водородных изотопов. Однако он будет вырабатывать поток высокоэнергетических нейтронов, то есть нейтронную радиацию, которую безопасной не назовешь. Понадобится целый комплекс мер по обеспечению радиационной защиты, сравнимый по стоимости с самим реактором, особенно с учетом необходимости дезактивации конструкционных и расходных материалов.

В угоду общественному мнению, чрезвычайно подверженному всяким фобиям, возможно использование так называемых безнейтронных реакций. Самая перспективная из них – слияние дейтерия и изотопа гелия-3 (энергетический выход 18,4 МэВ): 2H + 3He = 4He + p

Оно существенно сложнее, чем дейтерий-тритиевая реакция, и требует значительно больших энергетических затрат для поддержания. Один из элементов критерия Лоусона – произведение плотности, температуры и времени удержания, характеризующее сложность проведения термоядерной реакции, для связки дейтерий – гелий-3 в 100 раз выше, чем у дейтерий – тритий.

Кроме того, гелия-3 на Земле не очень много (в отличие от гелия-4, он не образуется в процессе ядерного распада, и его количество остается практически стабильным со времен образования планеты), на всех желающих его явно не хватит. Настоящее гелиевое эльдорадо вы регулярно видите на небе: это Луна. По самым минимальным оценкам, наш спутник располагает как минимум полумиллионом тонн ценнейшего топлива. В большой степени планы по строительству лунных колоний подогреваются желанием юридически застолбить за собой эти богатейшие кладовые. Впрочем, до судебных разборок о первенстве еще далеко, и волей-неволей «эко-экстремистам» придется смириться со ставшей уже привычной дейтерий-тритиевой смесью.

Первый токамак был построен в 1956 году в Советском Союзе, в Институте атомной энергии им И.В. Курчатова. Одну из главных ролей в его создании сыграл академик А.Д. Сахаров, «отец» советской водородной бомбы. Для тех лет это был настоящий научно-технический прорыв, под стать запуску первого искусственного спутника Земли. И, как это часто бывает, передовые линии науки и «оборонки» совпали. Весьма вероятно, что токамак был создан ради одной цели – подробного изучения процессов синтеза, протекающих при взрыве водородной бомбы. Но, как бы то ни было, есть шансы, что самое мощное оружие в истории человечества зажжет для него новый прометеев огонь.

Идея токамака проста до гениальности. По сути, это тороидальный трансформатор, в котором плазменный шнур играет роль вторичной обмотки. Удерживающее магнитное поле создается суперпозицией нескольких компонентов: поля первичной обмотки индуктора, собственного поля плазменного шнура и управляющего поля полоидальной (то есть расположенной на полюсах) обмотки, поддерживающей равновесие плазмы и контролирующей ее положение в камере.

Токамак далеко не сразу стал доминирующей технологией. Только через десять лет напряженных исследований и модификаций токамак смог превзойти параметры других установок. Настоящий бум наступил в 1970-х годах, когда в строй вступили токамаки второго поколения: советские Т-7, Т-10 и Т-11, американские PLT и DIII-D, немецкий ASDEX, TFR во Франции, японский JFT-2. В новых установках ученые применили другие методы дополнительного нагрева плазмы: инжекцию (повышение концентрации при пропускании тока) нейтральных атомов, электронный и ионный циклотронный нагрев (циклотрон – резонансный циклический ускоритель тяжелых заряженных частиц – прим. ред.). Много усилий потребовали и усовершенствованные плазменные диагностики и системы управления плазмой. Все это привело к приросту всех характеристик на порядок.

Токамак обзавелся новым элементом – дивертором, своеобразным «пылесосом», удаляющим «холодные» паразитные частицы, испаряющиеся со стенок вакуумной камеры (удельная мощность тепловых потоков, обрушивающихся на стенки, достигает нескольких киловатт на квадратный сантиметр). Дивертор помогает существенно уменьшить охлаждение плазменного шнура, возникающее из-за теплообмена со стенками.

Прототипом будущего термоядерного реактора можно считать токамаки третьего поколения, вошедшие в строй в начале 1980-х годов. К ним относятся советский T-15, американский TFTR (Test Fusion Tokamak Reactor) в Принстоне, японский JT60-U и установки JET (Joint Europeus Tor) и TORUS-SUPRA, построенные европейским консорциумом. Помимо увеличенного до 2–3 метров радиуса тора, в них применены сверхпроводящие магнитные катушки, позволяющие достичь огромной напряженности магнитных полей, удерживающих плазменный шнур с током в несколько мегаампер! На токамаке JET достигнута мощность реакции дейтерий – тритий в 16 МВт (правда, при этом для ее поддержания требовалось около 17,5 МВт кратковременной мощности). Отсюда уже недалеко и до ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – международный термоядерный экспериментальный реактор, а также лат. iter – путь), первого токамака-реактора, который будет работать в режиме самоподдерживающегося горения. (Сегодня его фундамент уже заложен в исследовательском центре Кадараш во Франции.)

Из-за нейтронного излучения обслуживать рабочие камеры токамаков (реакция дейтерий – тритий) могут только роботыманипуляторы. На фото - токамак JET, Великобритания

Сложнейший характер (с подавляющим преобладанием турбулентности) внутриплазменных процессов не оставляет надежды построить их удовлетворительную математическую модель в обозримом будущем. Поэтому для экстраполяции времен жизни плазмы, полученных в современных установках, к масштабам токамака-реактора, используются эмпирические закономерности – скейлинги, полученные статистической обработкой базы экспериментальных данных с различных установок. Согласно расчетам, время жизни плазмы растет с увеличением ее размера, плазменного тока и степени ее «вытянутости». При этом увеличение мощности нагрева, наоборот, ее сокращает.

Расчеты показывают, что «рабочий» токамак должен иметь радиус 7–8 метров и плазменный ток на уровне 20 мегаампер. В таком токамаке энергетическое время жизни будет превышать 5 секунд, а мощность термоядерных реакций достигнет 1,5 ГВт. Именно такую установку – ITER – и начали строить в 1998 году инженеры и ученые Европы (консорциум Euratom), России, США и Японии. Он будет иметь полностью сверхпроводящую магнитную систему, охлаждаемый бланкет c защитой от нейтронного излучения (бланкет – это «рубашка», расположенная за первой стенкой рабочей камеры и предназначенная для захвата нейтронов, воспроизводства «сгоревшего» трития и преобразования кинетической энергии нейтронов в тепло) и систему дистанционного обслуживания установки. Сверхпроводящий соленоид ITER на основе сплава ниобия, титана и олова будет охлаждаться жидким гелием при температуре 4 К или жидким водородом при 20 К, а выдавать более 40 ГДж энергии (эквивалентно взрыву около 5 тонн тротила).

ITER рассчитан на работу в течение 30 лет, за которые не менее 5–6 раз понадобится замена стенок тороидальной камеры. Для этого реактор придется почти полностью разбирать с помощью сложных и чрезвычайно дорогих дистанционных манипуляторов – ведь только они смогут проникнуть в радиоактивную зону.

И все же игра стоит свеч! Слишком дорого обходится каждый новый киловатт мощности, слишком драматичны последствия энергетического дефицита: экономические, социальные, политические. Для того чтобы уверенно смотреть в будущее, одной информации мало, даже самой эксклюзивной и оперативной. Нужны крепкие энергетические «мышцы», которые позволят взяться за самые грандиозные и сложные задачи.

Читать эту статью можно в онлайн версии журнала "Машины и Механизмы": //21mm.ru/journal/diary/review/?journal=9103

Наш журнал ММ Поддержать ММ

Наука

Ким Александров

Машины и Механизмы