velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Энергонадежды населения земли

Спустя полста лет после первого военного внедрения население земли впритирку подошло к использованию термоядерной реакции в мирных целях.





Итак, свершилось! 28 июня собравшиеся в Москве представители Рф, США, Евросоюза, Стране восходящего солнца, Китая и Южной Кореи заявили, что интернациональный экспериментальный ядерный реактор соорудят в поселке Кадараш, который находится на юго-востоке Франции поблизости городка Экс-ан-Прованс. В 1988 году конкретно там ввели в эксплуатацию наибольший в мире плазменный реактор на сверхпроводящих магнитах Tore Supra.


Путь длиною в 20 лет


Это решение положило конец растянувшимся на 18 месяцев общественным спорам и закулисным переговорам о местоположении реактора. Оно было принято без малого через 20 лет после того, как мысль сотворения реактора обрела интернациональный статус. В первый раз она дискуссировалась на высочайшем уровне сначала октября 1985 года во время встречи Генерального секретаря ЦК КПСС Миши Горбачева и президента Франции Франсуа Миттерана. Эта мысль получила предстоящее развитие через полтора месяца, когда Горбачев провел переговоры в Женеве с президентом США Рональдом Рейганом. Скоро обусловился начальный круг партнеров по разработке реактора – СССР, США, Евросоюз и Япония (с течением времени к ним присоединились КНР и Южная Корея). В 1999 году США вышли из числа участников этой программки, но через четыре года сочли за благо вновь к ней возвратиться. Полностью возможно, что в скором времени к ней присоединятся также Индия и Бразилия.


Машина, которую построят в Кадараше, не сумеет работать в качестве термоядерной электростанции, но, может быть, приблизит время ее возникновения. Неслучайно ее окрестили ITER. Эта аббревиатура расшифровывается как International Thermonuclear Experimental Reactor, но имеет и символический смысл, по-латыни iter – дорога, путь. По плану конструкторов, кадарашский реактор должен проложить путь к термоядерной энергетике грядущего, которая обеспечит выживание населения земли и после истощения припасов угля, нефти и газа. Вобщем, она пригодится и по другой причине. Через 40–50 лет населению земли придется резко уменьшить внедрение органического горючего в связи с перегревом атмосферы, обусловленным возрастанием концентрации углекислого газа.


Малость физики


Хотя журналисты не устают говорить, что ITER воспроизведет на Земле процессы, протекающие в глубинах Солнца, это сопоставление не очень правомерно. Основой внутрисолнечного термоядерного синтеза является так именуемый водородный цикл, в процессе которого четыре протона преобразуются в ядро гелия-4, два позитрона и два нейтрино. Этот цикл содержит в себе несколько ядерных реакций, скорости которых зависят от температуры и плотности солнечных недр. 1-ая из их, перевоплощение пары протонов в ядро дейтерия, позитрон и нейтрино, в среднем просит приблизительно 14 млрд лет (стоит вспомнить, что срок жизни нашей Вселенной несколько короче). Не приходится удивляться, что реакция известна физикам только на теоретическом уровне, в опыте еще никто ее не следил. Естественно, неким протонам удается повстречаться и слиться и за много наименьшее время. Будь по другому, термоядерная печь в центре сгустившейся газо-пылевой туманности, которая 4 миллиардов. 600 млн. годов назад отдала начало нашему Солнцу, не зажглась бы и до сего времени. Но из-за медлительности водородного цикла генерация энергии в центре Солнца в расчете на единицу массы смехотворно мала. Как ни феноминально, один гр солнечной материи выделяет даже меньше тепла, чем гр тела человека! Великанская мощность излучения Солнца, 3,8x1026 Вт, разъясняется его огромной массой. Потому в качестве источника энергии для электрических станций водородный цикл очевидно непригоден.


К счастью для нас, на нем свет клином не сошелся, есть и другие реакции. Для энергетического реактора идеальнее всего подходит слияние ядер дейтерия и трития, в итоге него появляется ядро гелия и нейтрон. Интересно, что энерговыделение этой реакции существенно меньше высвобождения энергии в водородном цикле – 17,6 млн. электронвольт (МэВ) против 26,2 млн. Но тут счет времени идет только на секунды, и потому она полностью устраивает конструкторов термоядерных реакторов. ITER как раз и будет работать на дейтериево-тритиевой консистенции. Источником дейтерия послужит рядовая вода, а тритий будут получать из облученного нейтронами лития, самого легкого из всех металлов, третьего элемента таблицы Менделеева.


Для преодоления кулоновского отталкивания дейтериево-тритиевую плазму нужно подогреть минимум до 100 млн. градусов. Но эта температура сама по для себя не повлечет за собой самоподдерживающийся ядерный процесс. В среднем на каждые 100 тыщ столкновений ядер дейтерия с ядрами трития приходится только единственный акт образования гелия. Потому для пуска реактора плазму следует не только лишь подогреть, да и очень сжать. Ее также нужно сохранить в таком состоянии настолько длительно, чтоб успело сгореть приметное количество термоядерного горючего. Требуемую плотность плазмы и длительность ее удержания можно вычислить на базе численного аспекта появления термоядерной реакции, установленного в 1957 году южноамериканским физиком Джеймсом Лоусоном и носящего его имя.


Как обеспечить выполнение аспекта Лоусона в лабораторных, а потом и в промышленных установках? На данный момент для этого есть только два многообещающих способа – магнитный и инерционный. В первом случае плазму изолируют при помощи сильных магнитных полей, которые препятствуют ее падению на стены реактора. В согласовании с условием Лоусона, при температурах порядка 100–200 миллионов градусов требуемая плотность плазмы составляет 200–300 триллионов частиц на кубический сантиметр (звучит страшновато, но это всего только несколько миллиграммов на кубометр), а время удержания – 2–3 секунды. При использовании второго способа дейтериево-тритиевые мишени обжимают при помощи лазерных импульсов. Этот метод позволяет в млрд раз прирастить плотность плазмы и в таковой же пропорции уменьшить продолжительность ее удержания. В принципе, может быть и сжатие плазмы ударными звуковыми волнами, которое временами рекламируют как «холодный» термояд, но оно никак не обеспечивает выполнение аспекта Лоусона. ITER задуман конкретно как агрегат с магнитным удержанием.


Блеф и действительность


Работа над схожими системами ведется уже более 50 лет. Андрей Дмитриевич Сахаров писал в собственных «Воспоминаниях», что в первый раз задумался об осуществлении управляемой термоядерной реакции в 1949 году, но «без каких-то разумных определенных идей». Дальше сработала рука судьбы в лице секретариата Берии. Летом 1950-го из суровой инстанции на заключение Сахарову было выслано письмо, отправленное в ЦК ВКП(б) младшим сержантом Олегом Лаврентьевым, который служил на Сахалине радиотелеграфистом. 24-летний Лаврентьев предложил полностью разумную схему водородной бомбы, также конструкцию промышленного термоядерного реактора, где изоляция плазмы осуществлялась за счет неизменного электронного поля. Сахаров в собственном отзыве очень лестно отозвался о Лаврентьеве, но выделил, что электростатическая теплоизоляция плазмы невыполнима на практике. Тогда же Сахаров сообразил, что плазму можно удержать магнитным полем, замкнутым снутри тороидальной обмотки. Через некоторое количество дней к этой дилемме подключился и Игорь Евгеньевич Тамм. Сахаров и Тамм высчитали конфигурацию магнитных полей, способных сжимать плазму в узкий шнур и препятствовать ее падению на стены камеры. Эти вычисления стали основой программки разработки тороидального магнитного термоядерного реактора, утвержденной Совмином 5 мая 1951 года. Научное управление этими исследовательскими работами было возложено на члена-корреспондента АН СССР Л.А. Арцимовича.


Совминовское постановление было принято в значительной спешке – и не случаем. 24 марта аргентинский президент Хуан Перон заявил, что австрийский физик-эмигрант Рональд Рихтер достигнул «контролируемого высвобождения ядерной энергии при температуре в миллионы градусов без внедрения уранового топлива». По логике, речь могла идти только о термояде. Курчатов доложил об этом Берии, который здесь же пробил решение о начале работ над русским реактором. Постановление подписал сам Сталин. Что до пероновской сенсации, то она, естественно, оказалась блефом. Рихтер не был шарлатаном, он экспериментировал с высокотемпературными дуговыми разрядами и полностью мог получить температуру порядка 50 тыщ градусов, но к термояду, естественно, даже и не приблизился. В позапрошлом году журнальчик Physics Today сказал, что опыты Рихтера облегчили аргентинскую казну на 62 млн. песо, около 10 млн. баксов по тогдашнему курсу.


За океаном на данную тему стали мыслить еще ранее. В 1946 году физики в Лос-Аламосе произвели расчеты 2-ух конфигураций «магнитных бутылок» для удержания плазмы – цилиндрической и тороидальной. Им показалось, что такие «сосуды» безизбежно будут подтекать, и потому далее вычислений дело не пошло.


В 1951 году южноамериканский физик Лайман Спитцер предложил более сложную конструкцию магнитного реактора, который он именовал стелларатором (кстати, в интервью 1988 года сам Спитцер поведал, что к разработке стелларатора его подвигнуло сообщение о заявлении Перона). 1-ые опыты со стеллараторами оказались плохими, но на данный момент с этими системами работают в США, Стране восходящего солнца и ФРГ. Приблизительно тогда же английские и южноамериканские физики начали опыты с магнитным удержанием газовых разрядов в трубках-бубликах (такие разряды именуются тороидальными пинчами). Позже были предложены и другие типы магнитных ловушек для плазмы. Но, как показало время, более многообещающей оказалась схема Сахарова и Тамма. Конкретно на ее базе были сделаны бессчетные реакторы-токамаки, к числу которых относится и ITER.


История Токамака


Считается, что слово «токамак» появилось как аббревиатура фразы «тороидальная камера с магнитными катушками». Но по сути это всего только комфортная расшифровка уже имевшегося наименования. Основная работа над магнитными термоядерными реакторами происходила в Институте атомной энергии, который в 1950-е годы маскировался под умеренным именованием Лаборатории измерительных устройств АН СССР (ЛИПАН). Этим занималось особенное подразделение – Бюро электронных устройств (БЭП), для которого быстренько выстроили отдельный дом рядом со зданием Отдела электроаппаратуры, где под управлением Арцимовича занимались электрическим разделением радиоактивных изотопов. В феврале 1953 года там состоялся семинар, на котором обсуждали доклад о разработке магнитного термоядерного реактора, приготовленный техническими руководителями проекта Н.А. Явлинским и И.Н. Головиным. Конкретно в этом сообщении будущая установка в первый раз была названа токамаком. Головин тогда произнес, что это просто сокращение слов «тока максимум». Создатели доклада считали, что сила тока в тороидальных разрядах намного превзойдет силу тока в прямолинейных трубках, отсюда и заглавие аппарата. С течением времени эта догадка была опровергнута, а вот термин «токамак» остался, и с конца 1950-х пошел гулять по миру.


Вот несколько вех истории этих установок. В 1954 году сотрудники БЭП приступили к испытаниям фарфоровой тороидальной камеры с магнитной намоткой, которая стала прототипом будущих токамаков. Необходимо подчеркнуть, что для расчета режимов ее работы под управлением Явлинского была сотворена одна из первых русских электронно-вычислительных машин ЦЭМ-1. В конце 1960-х на русском токамаке Т-3А была получена плазма с температурой электронов в 20 млн. градусов, а ионов – в 4 млн. и в первый раз записанно устойчивое термоядерное излучение плазменного шнура. Через 10 лет принстонский токамак RLT нагрел ионы в плазме приблизительно до восьмидесяти миллионов градусов. В 1995 году на другом южноамериканском токамаке TFTR температура ионов была доведена до 510 млн. градусов; позже этот рекорд был превзойден на японском токамаке JT-10, который разогрел ионы до 520 млн. градусов. Опыты на этих машинах и на крупнейшем в мире европейском токамаке JET позволили подогреть, сжать и удержать дейтериево-тритиевую плазму до кондиций, которые всего в пять-шесть раз не дотянули до выполнения аспекта Лоусона. Это большой скачок, если учитывать, что сначала 70-х годов аспект Лоусона удавалось воплотить только на малые толики процента.


Мегамашина


Установка ITER – поистине мегамашина: вес 19 000 т, внутренний радиус тороидальной камеры – 2 м, наружный – больше 6 м. Ее сооружение займет 10 лет, опыты начнутся не ранее 2015 года и продлятся пару 10-ов лет. По расчетам, на этой установке в первый раз получится выполнить лоусоновский аспект для дейтериево-тритиевой плазмы и запустить в ней термоядерную реакцию. Хотя реактору будет нужно неизменная наружняя энергоподпитка, он сумеет размеренно генерировать в 5 раз больше термический энергии, чем будет истрачено на нагрев плазмы (а в пиковых режимах – даже и в 10 раз). ITER сумеет развивать мощность в 500 МВт в циклах длительностью до 500 с (сравним: JET дает 16-мегаваттные «вспышки» продолжительностью наименее 1 с).


Допустим, все пойдет по плану – что тогда? Этот вопрос «ПМ» задала одному из огромнейших профессионалов по физике плазмы Роальду Сагдееву, реальному члену РАН и доктору физики Мэрилендского института: «Решение о сооружении реактора вызывает у меня смешанные чувства. Этот проект много обещает физике, но, по-видимому, ничего не даст экономике. Более того, нет никаких гарантий, что ITER станет макетом промышленных термоядерных реакторов, так как для этого могут пригодиться не токамаки, а совершенно другие установки».


По словам Сагдеева, сначала нужно выстроить долговременную стратегию поиска нестандартных источников энергии. Более реальный кандидат на эту роль – реакторы-размножители на стремительных нейтронах, но занимаются ими пока до досадного не достаточно, нет ни одного большого интернационального проекта. Не исключено, что ITER и его аналоги принесут основную пользу в качестве устройств, обезвреживающих бридерные «шлаки». Дело в том, что при работе реакторов-размножителей появляются долгоживущие радиоактивные элементы семейства актиноидов, от которых нужно как-то избавляться. Эти отходы можно «сжигать» при помощи потоков стремительных нейтронов, возникающих в токамаках при синтезе гелия из дейтерия и трития.


Эйнштейн утверждал, что наука – драма мыслях. Но не стоит забывать, что эту драму разыгрывает актерский состав, в который включены и отдельные личности, и научные коллективы, и даже целые страны. История проекта ITER – хорошее тому доказательство.






Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments