Проблема управляемого термоядерного синтеза

Энергетическая проблема, стоящая перед человечеством, будет решена в случае освоения реакции управляемого термоядерного синтеза (УТС). УТС экономически и экологически является самым перспективным направлением энергетики будущего. В сущности здесь идет речь об освоении в земных условиях ядерной реакции слияния легких атомных ядер, которая происходит в недрах Солнца и звезд. УТС считают самой трудной технической проблемой человечества. Ее освоение даст человечеству не ограниченные ресурсы энергии.

Принципиальная возможность осуществления реакции термоядерного синтеза не вызывает сомнений. В Земных условиях термоядерная реакция реализована при испытательных взрывах термоядерных (водородных) бомб. Задача заключается в построении термоядерного реактора, тепло которого можно было бы использовать для производства электроэнергии.

Слияние ядер изотопов водорода приводит к образованию более плотного ядра гелия и сопровождается выделением огромной энергии. Поэтому термоядерное топливо может быть примерно на порядок эффективнее ядерного горючего. «Сжигание»1 кг термоядерного топлива эквивалентно сгоранию ~ 10⁷ ... 10⁸ кг органического топлива.

Чтобы произошла реакция слияния, реагирующие ядра должны быть сближены на малое расстояния ~10^-11 см, на котором в действие вступают силы ядерного притяжения нуклонов. Ядра атомов обладают электрическим зарядом и отталкиваются друг от друга. Чтобы преодолеть эти силы атомы должны сталкиваться при больших скоростях движения, что эквивалентно высокой температуре термоядерного горючего. Реакция термоядерного синтеза требует достижения температуры равной ~ 10⁸ К.

С увеличением заряда ядер (порядкового номера химического элемента) их кулоновское отталкивание усиливается и температура, необходимая для осуществления реакции синтеза, возрастает. Поэтому самые низкие температуры, необходимые для осуществления реакции, соответствуют синтезу дейтерия ²H и трития ³H. Возможно использование и других реакций синтеза ядер изотопов водорода:

¹H + ¹H → ²H + e⁺ + ν +2,2 МэВ;

¹H + ²H → ³H + γ +5,5 МэВ;

¹H + ³H → ⁴Не + γ +19,7 МэВ;

²H + ²H → ³Не + n + 3,3 МэВ;

²H + ²H → ³Не + γ + 24,0 МэВ;

²H + ³H → ⁴Не + n + 17,6 МэВ;

³H + ³H → ⁴Не + 2n + 3,3 МэВ.

В двух первых ядерных реакциях синтеза ядра водорода, протоны ¹H образуют более тяжелые изотопы водорода. В приведенных выше формулах реакций указана энергия, которая выделяется в единичной реакции в виде кинетической энергии частиц – продуктов реакции. Наиболее эффективны энергетически реакции синтеза ядер гелия. Поэтому в качестве термоядерного горючего на первых этапах освоения УТС предполагают использовать смесь дейтерия и трития.

Тритий радиоактивен, распадается с периодом полураспада в 12,5 лет и не встречается в природе. Его производят в ядерных реакторах путем облучения изотопа лития-6 нейтронами:

⁶Li + n → ⁴Не + ³H + 4,8 МэВ.

Мощность тепловыделения термоядерного реактора равна произведению числа актов ядерного синтеза, на энергию, выделяющуюся в каждом акте реакции.

Энергетически выгодная работа реактора отвечает критерию Дж.Лоусона (1957): плотность плазмы n, находящейся при термоядерной температуре, должна поддерживаться в течение определенного времени t, причем произведение этих величин должно быть больше некоторой пороговой величины. Для реакции синтеза дейтерия и трития произведение Лоусона nt > 10¹⁴ c/cм³. Это означает, что если плазма удерживается в течение секунды, то ее плотность должна быть больше 10¹⁴ частиц в см³.

Чтобы «зажечь» термоядерное горючее его необходимо разогреть до 100 млн градусов. При такой температуре вещество находится в состоянии плазмы: ядра и электроны существуют независимо и так быстро движутся, что атомы возникнув сразу же разрушаются за счет столкновений. Высокотемпературная термоядерная плазма, находящаяся в замкнутом объеме реактора очень быстро, охлаждается за счет излучения и столкновений частиц плазмы со стенками реактора. При этом потоки тепла и частиц, излучаемые плазмой такие большие, что любые материальные стенки реактора оказываются непригодными.

Простые оценки показывают насколько трудна технически задача получения термоядерной плазмы:

Для нагрева 1 г вещества до температуры 10⁸ К требуется энергия, равная произведению его теплоемкости на изменение температуры, т.е. ~ 10⁹ Дж. Если нагрев производится в течение секунды, то для его осуществления необходима мощность электростанции, снабжающей энергией большой город. Причем, эту энергию необходимо эффективно вложить в грамм термоядерного горючего.

Нагретое вещество, как известно, светится. Энергетическая светимость черного тела R (Вт/м²) подчиняется закону Стефана-Больцмана:

R = σ T⁴ , где σ = 5,67 10^-8 Вт/(м² К) – постоянная Стефана-Больцмана.

Таким образом малое тело, имеющее площадь 1 мм², находящееся при температуре 10⁸ К, излучает в виде света фантастическую мощность – 5,67 10¹⁸ Вт. Эта мощность на 12 порядков больше мощности, испускаемой поверхностью Солнца с той же площадью. Уместно напомнить, что для обеспечения электроэнергией миллионного города требуется «всего» ~ 10⁹ Вт. Таким образом термоядерная плазма практически мгновенно охлаждается за счет излучения и никакой разумной мощности для достижения необходимой температуры плазмы не хватает.

Приведенные оценки сразу показывают, что реализовать непрерывно протекающую термоядерную реакцию в земных условиях не удасться. Она возможна только в режиме кратковременного взрыва и при использовании микроскопических количеств термоядерного горючего.

На протяжении 50 лет, начиная с 1950 г. ученые физики проводили дорогостоящие исследования по УТС. Создавались и совершенствовались устройства с магнитным удержанием плазмы, которые назвали «Токамак» - тороидальная камера с магнитным удержанием плазмы. К 2000 г. на построенных в США, России, Франции, токамаках – установках циклопических размеров, была получена плазма с необходимой температурой 10⁷ ...10⁸ К. Однако, такая температура может быть получена только в сильно разреженной плазме.

Отношение тепловой энергии реакции к затраченной – коэффициент усиления К в лучших токамаках составляет по оценкам около 0,1. Для получения К превышающего единицу и удовлетворения критерия Лоусона необходимо повышение плотности плазмы примерно на два порядка. Повышение плотности плазмы приводит к резкому увеличению потерь на излучение. На построенных установках достигнуть зоны управляемого синтеза так и не удалось.

Проект токамака с К ~ 1 предполагается осуществить в рамках международного проекта (2003 г). Его стоимость столь высока ( ~ 3 млрд. долларов), что он непосилен для одной страны. Диаметр предполагаемого токамака превышает 30 м, а энергопотребление соответствует - мощности большой электростанции.