Появления термоядерного реактора ждут больше полувека. Ожидания настолько перегреты, что возникла весьма популярная конспирологическая теория, будто бы на самом деле его изобрели давно, но нефтяные магнаты скрывают изобретение от народных масс, чтобы не потерять сверхприбыли. Как и любая конспирология, подобная теория не выдерживает критики и остается темой для детективной прозы. Однако понимание этого не отменяет главный вопрос: когда же мы овладеем термоядерной энергией?
«Солнечный костер»
Термоядерная реакция (или ядерная реакция синтеза), при которой осуществляется слияние более легких ядер в более тяжелые, была описана физиками еще в 1910-е годы. А впервые ее наблюдал английский ученый Эрнст Резерфорд. В 1919 году он столкнул на большой скорости гелий с азотом, получив водород и тяжелый кислород. Спустя пять лет Резерфорд успешно провел синтез сверхтяжелого водорода трития из ядер тяжелого водорода дейтерия. Примерно в то же самое время астрофизик Артур Эддингтон выдвинул необычную, но смелую гипотезу, что звезды горят благодаря протеканию в их недрах термоядерных реакций. В 1937 году американскому ученому Хансу Бете удалось доказать протекание термоядерных реакций на Солнце ― следовательно, Эддингтон оказался прав.
Идея воспроизведения «солнечного костра» на Земле принадлежала японскому физику Токутаро Хагивара, который в 1941 году высказал предположение о возможности возбуждения термоядерной реакции между ядрами водорода с помощью взрывной цепной реакции деления ядер урана ― то есть атомный взрыв должен создать условия (сверхвысокие температура и давление) для начала термоядерного синтеза. Чуть позже к такой же идее пришел Энрико Ферми, который участвовал в создании американской атомной бомбы. В 1946 году под руководством Эдварда Теллера в Лос-Аламосской лаборатории стартовал исследовательский проект по использованию термоядерной энергии.
Первое термоядерное устройство американские военные взорвали 1 ноября 1952 года на атолле Эниветок в Тихом океане. Мы провели аналогичный эксперимент 1953 году. Таким образом, человечество использует термоядерный синтез больше шестидесяти лет, но только в разрушительных целях. Почему же никак не получается использовать его более рационально?
Повелители плазмы
С точки зрения энергетики оптимальная температура плазмы при термоядерной реакции – 100 миллионов градусов. Это в несколько раз выше, чем температура в недрах Солнца. Как быть?
Физики предложили удерживать плазму внутри «магнитной ловушки». В начале 1950-х годов Андрей Сахаров и Игорь Тамм рассчитали конфигурацию магнитных полей, способных сжимать плазму в тонкий шнур и препятствовать ее падению на стенки камеры. Именно на основе предложенной ими схемы были созданы многочисленные токамаки.
Считается, что необычный термин «ТОКАМАК» возник как аббревиатура фразы «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками». Главным элементом конструкции действительно являются катушки, создающие мощное магнитное поле. Рабочая камера токамака заполняется газом. В результате пробоя под действием вихревого поля происходит усиленная ионизация газа в камере, отчего тот превращается в плазму. Возникает плазменный шнур, движущийся вдоль тороидальной камеры и разогреваемый продольным электрическим током. Магнитные поля удерживают шнур в равновесии и придают ему форму, которая не дает коснуться стенок и прожечь их.
К настоящему моменту на токамаках достигнута температура плазмы до 520 миллионов градусов. Однако разогрев — это самое начало пути. Токамак не является энергетической установкой — наоборот, он жрет энергию, ничего не давая взамен. Термоядерная электростанция должна строиться на иных принципах.
Прежде всего, физики определились с топливом. Почти идеальной для энергетического реактора является реакция на основе слияния ядер изотопов водорода ― дейтерия и трития (D+Т), в результате чего образуется ядро гелия-4 и нейтрон. Источником дейтерия послужит обычная вода, а тритий будут получать из облученного нейтронами лития.
Затем плазму необходимо нагреть до 100 миллионов градусов и сильно сжать, сохраняя в таком состоянии достаточно долго. С позиций инженерного проектирования получается невероятно сложная и дорогая задача. Именно сложность и дороговизна долгое время сдерживали развитие этого направления энергетики. Общество оказалось не готово к финансированию столь крупного проекта, пока не существовало уверенности в успехе.
Дорога в будущее
Советский Союз, где строились уникальные токамаки, прекратил свое существование, но идея овладеть термоядерной энергией не погибла, а ведущие страны поняли, что решить проблему можно только сообща.
И вот первый экспериментальный термоядерный реактор для энергетики возводится в наши дни в поселке Кадараш, на юго-востоке Франции, поблизости от города Экс-ан-Прованс. В осуществлении этого великого проекта принимают участие Россия, США, Евросоюз, Япония, Китай, Южная Корея, Индия и Казахстан.
Строго говоря, установка, которую построят в Кадараше, все еще не сможет работать в качестве термоядерной электростанции, но, возможно, приблизит время ее появления. Неслучайно ее назвали ITER ― эта аббревиатура расшифровывается как International Thermonuclear Experimental Reactor, но имеет и символический смысл: по-латыни iter ― дорога, путь. Таким образом, кадарашский реактор должен проложить путь к термоядерной энергетике будущего, которая обеспечит выживание человечества после истощения запасов ископаемого топлива.
ITER будет устроен следующим образом. В его центральной части располагается тороидальная камера объемом около 2000 м3, заполненная тритий-дейтериевой плазмой, нагретой до температуры выше 100 миллионов градусов. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны покидают «магнитную бутылку» и сквозь «первую стенку» попадают в свободное пространство бланкета толщиной около метра. Внутри бланкета нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития, который будет нарабатываться не только для ITER, но и для других реакторов, если они будут построены. При этом «первая стенка» разогревается нейтронами до 400 ºC. Выделяющееся тепло, как и в обычных станциях, отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем (содержащим, например, воду или гелий) и передается на вторичный контур, где и производится водяной пар, идущий в турбины, которые вырабатывают электроэнергию.
Установка ITER ― воистину мегамашина. Ее вес составляет 19 000 тонн, внутренний радиус тороидальной камеры ― 2 метра, внешний ― больше 6 метров. Строительство уже идет вовсю, но сказать точно, когда на установке будет получен первый положительный выход энергии, пока не может никто. Тем не менее, по планам ITER сможет производить 200 000 кВт/час, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной минибатарейке для компьютера, а количество дейтерия ― в 45 литрах воды. И это будет абсолютно экологически чистая энергия.
При этом дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребности в нем в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, физики смогут добывать его из морской воды.
ITER обязательно будет построен. И, конечно, радует, что в этом необычном проекте будущего принимает участие наша страна. Только российские специалисты обладают многолетним опытом по созданию больших сверхпроводящих магнитов, без которых нельзя удержать плазму в шнуре: спасибо токамакам!
Вступите в группу, и вы сможете просматривать изображения в полном размере
Это интересно
+4
|
|||
Последние откомментированные темы:
-
Ответы на детские вопросы про "Лунную Афёру"
(1)
kauperwud
,
28.02.2022
-
Космический корабль в несколько километров: все, что известно о новом проекте Китая
(2)
андрей1
,
27.02.2022
-
ЗАГАДКИ "ПАРАДОКСА ФЕРМИ" БОЛЬШЕ НЕТ?
(3)
donskarloss@gmail.com
,
27.02.2022
-
Марсианские реки
(1)
donskarloss@gmail.com
,
27.02.2022
-
Семь спорных причин считать, что на Земле существовали цивилизации до людей
(1)
donskarloss@gmail.com
,
24.02.2022
20250605170201