Главная Сегодня

Энергия звезд: что такое термоядерный реактор и с чем его едят сегодня

Инженеры уже 60 лет пытаются зажечь Солнце на Земле и тратят на это миллиарды долларов

Говорить о перспективах ядерной энергетики сейчас и неловко, и немодно. Неловко по той причине, что свежи в памяти Чернобыль и Фукусима. Немодно потому, что в тренде возобновляемые источники энергии и борьба за экологию. Но фанатичные обитатели экопоселений и профессиональные борцы за чистоту природы не учитывают (а нередко лицемерно умалчивают), что энергия нужна не только для нескольких лампочек в квартире да для зарядки планшета. Никакие ветро- и гелиостанции пока не в силах полностью обеспечить мегаполисы и, самое главное, "накормить" промышленность. В подтверждение этих надежд приведем несколько цифр, подтверждающих роль атомной энергетики в мире и в Украине.

Доля выработки электроэнергии на АЭС в мире находится на уровне 16%. В Украине ядерные реакторы вырабатывают 43%. На альтернативные источники специалисты, в отличие от романтиков всех мастей, особо не полагаются: страна даже до нынешних потрясений планировала в 2030 году получать только 10% нужной для общества и промышленности энергии от солнца, ветра и т.д. (ЕС — 20% в 2020-м). Тут уж волей-неволей перестанешь качать права против АЭС.

Обратная сторона ядерной энергетики — ее опасность. Да, конструкция реакторов постоянно совершенствуется, но принцип работы остается неизменным. А значит, сохраняется риск очень опасных аварий и проблема вредных отходов, о чем постоянно помнят как ученые, так и те, кого в свое время эта опасность коснулась напрямую. Альтернативой традиционной атомной энергетике видится освоение не расщепления, а, наоборот, слияния ядер. Вот только время, когда АЭС можно будет закрывать за ненадобностью и моральным устареванием, постоянно откладывается, и состояние дел смахивает на мираж, постоянно отдаляющийся от путника.

НЕМНОГО ШКОЛЬНОЙ ФИЗИКИ: зачем нужна температура в 150 миллионов градусов

Чтобы понять принцип работы термоядерного реактора, представим ситуацию: каким-то образом нам удалось приблизить вплотную друг к другу ядра дейтерия и трития. Не пугайтесь — это разновидности (изотопы) всем известного водорода. Отличаются они только количеством нейтронов в ядре: у дейтерия — один, у трития — два. Так вот, если приблизить ядра вплотную (вообще-то они категорически возражают против подобного насилия и отталкиваются), то начинают действовать особые процессы, так называемое сильное взаимодействие. В результате слияния образуется ядро гелия и выделяется огромное количество энергии — намного больше, чем при расщеплении ядер урана.

_01_06
_01_06

Осталась сущая "ерунда" — найти способ преодолеть взаимное отталкивание. Наука давно узнала способ, как этот сделать: ядра нужно хорошенько разогнать и столкнуть. А когда скорость атомов больше? Правильно, когда выше температура. Поэтому термоядерный синтез так и назвали — ведь он основан на нагреве вещества до невероятных температур. Заметим, что природа создала термоядерные реакторы миллиарды лет назад: речь идет о звездах, включая Солнце. В центре звезды температура доходит до 15 млн градусов. Но здесь играет роль не только температура, но и колоссальная плотность звезды, когда в силу вступает гравитация. Не будь такой гигантской массы (в 333 тысячи раз тяжелее Земли), температура нужна была бы в 10 раз больше. Так что в условиях Земли инженерам пришлось найти способ получать эти самые 150 млн градусов.

ГОНКА ЗА ЭНЕРГИЕЙ: от "царь-бомбы" до ITER

Когда хочется сильно съязвить по поводу дремучести "совка", то стоит вспомнить, что "совок" принес в науку и технику слова "токамак" и "спутник". И если со спутником все понятно, то что означает первый термин?

После войны США и СССР вплотную занялись оружием на основе термоядерного синтеза. Для создания нужных температур и давлений применялся ядерный взрыв: он "зажигал" термоядерную реакцию в бомбе. Апофеозом гонки стали испытания советской "царь-бомбы" мощностью 58 Мт в 1961 году над необитаемой Новой Землей. Да, жуткое было действо (в Хиросиме американцы применили "всего лишь" 20 Кт, и погибло больше 100 тысяч японцев). Однако воинственные позывы со стороны США с тех пор заметно поутихли.

bd4539_1__
bd4539_1__

Макет советской "Царь-бомбы" — самого мощного боеприпаса на планете.

Что касается мирного применения термоядерного синтеза, то здесь все не так однозначно. Оказалось, что создать "печку" для разогрева изотопов невозможно: нет во Вселенной такого материала, который мог бы выдержать температуры в миллионы градусов. Требовалось нечто принципиально новое. В 1950-х годах одна и та же мысль посетила несколько умных голов, но пальма первенства и изящество решения принадлежат советской школе физики. Более конкретно — Олегу Лаврентьеву, Андрею Сахарову, Игорю Тамму. Они предложили поместить плазму (раскаленный ионизированный газ) в вакуум. А чтобы огненный сгусток не касался стенок, удерживать его магнитным полем. Камера имела форму пустотелого тора (проще говоря — бублика), окруженного магнитами. По оси "бублика" висит шнур плазмы, "закованный" в магнитное поле. Эту конструкция прозвали "токамак" (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), и она является ключевым звеном и по сей день.
Заметим, что разрабатываются и другие подходы. В Германии построен экспериментальный реактор Wendelstein 7-X типа стелларатор (для непросвещенного взгляда отличается от токамака только формой вакуумной камеры в виде "измятого бублика"). США реализуют проект NIF, где розжиг термоядерной реакции проводится лазерами. Увы, на этих направлениях достижений негусто.

_02_02
_02_02

ВСЕ ВМЕСТЕ. За 60 лет токамаки создали во многих развитых странах. Но прорыва, о котором мечталось в 1960-х, не случилось, хотя удалось преодолеть массу частных трудностей.

Еще в 1980-е появилось осознание того, что разработка промышленного реактора не по карману одной, даже самой богатой стране. И в 1985 г. на встрече Горбачева и Рейгана родился проект ITER — создание устройства нового поколения. Только проектирование заняло 20 лет. Сегодня ITER (ключевые участники — ЕС, Россия, США, Япония, Южная Корея, КНР) воплощается в жизнь возле г. Кадараш на юге Франции. Для него уже завершено строительство одной из самых больших платформ, созданных человеком (1000x420 м). На нее пошло 15 тыс. куб. м бетона, 16 тыс. т арматуры, 439 колонн с особым резинометаллическим антисейсмичным покрытием. Но и эта циклопическая конструкция — всего лишь основа для токамака весом 36 тысяч тонн, напичканного современным оборудованием. Увы, важнейший для цивилизации проект постоянно тормозится. Он такой масштабный и дорогой, что крайне чувствителен к способности участников договариваться и финансировать работы. С 2004 г. стоимость ITER выросла c 5 до 16 млрд евро, а запуск перенесен с 2010 на 2020 г. Но прорыва, видимо, опять не будет. По словам гендиректора ITER Осаму Мотоджима, термоядерный синтез позволит получить всего лишь 500 МВт к 2027 г. Для сравнения — Запорожская АЭС имеет мощность 6 тыс. МВт.

2014_04_29_aerien_00203_tweaked_1__
2014_04_29_aerien_00203_tweaked_1__

Гигант. Строительсвто платформы для будущего реактора возле города Кадараш на юге Франции.

Меткое описание ситуации с термоядерными реакторами дал однажды наш эксперт в области ядерной энерегетики, доктор физико-математических наук Людвиг Литвинский: "Когда я был 17-летним мальчишкой, который поступал в университет, я слышал, что вот еще 5—7 лет, — и прототип реактора будет реализован в железе. Когда поступал в аспирантуру, то слышал, что еще 5—7 лет — и прототип в железе будет построен. Когда бросил заниматься фундаментальной физикой и перешел в энергетику, слышал то же самое. На мой взгляд, временные сроки для синтеза — это не одно десятилетие. Но в "прекрасном далеко" синтез все равно реализуют". Как объяснил эксперт, Украина, пусть и скромно, но участвует в проекте ITER. "По синтезу работают теоретики. У нас сильная школа в Институте ядерных исследований. Даже если технологии не будут реализованы, такое участие способствует развитию национального интеллекта, росту специалистов", — считает Литвинский.

ВЫГОДЫ СИНТЕЗА

Важнейший соблазн, ради которого государства платят за исследования в области термоядерного синтеза, — шанс получить практически неисчерпаемый источник энергии. Второй, не менее значимый аргумент, — надежда на избавление от постоянно растущей горы радиоактивных отходов, которые стали огромной головной болью АЭС. О загрязнениях местности в случае ЧП после Чернобыля и Фукусимы и вспоминать не хочется. А вот при работе термоядерного реактора вместо бесполезных и страшно "фонящих" отходов образуется инертный газ гелий, которому есть множество применений в быту и народном хозяйстве.

Случись авария, такой реактор не пойдет вразнос: в силу конструкции все процессы внутри него мгновенно прекратятся. Да, детали будут "фонить", но уровень не идет ни в какое сравнение с излучением на урановых реакторах. Наконец, новые реакторы дают надежду на создание нового типа двигателей для космических кораблей.

Подпишись на наш telegram

Только самое важное и интересное

Подписаться
Читайте Segodnya.ua в Google News
Источник: Сегодня

Новости партнеров

Популярные статьи

Новости партнеров

Нажимая на кнопку «Принять» или продолжая пользоваться сайтом, вы соглашаетесь с правилами использования файлов cookie.

Принять