Мировые энергетические ресурсы и необходимость решения проблемы управляемого термоядерного синтеза

Поиски человеком новых источников энергии для удовлетворения своих потребностей уходят корнями истоков цивилизации на Земле. В последнее время по меньшей мере несколько международных конфликтов были вызваны борьбой за овладение территориями, богатыми на энергетические ресурсы. Бесплодные пространства никогда не были объектом завоевания и эксплуатации. Будем надеяться, что ядерные процессы синтеза и разделения смогут, наконец, полностью решить проблему обеспечения энергией человечества.

Мы приближаемся теперь к сущности вопроса о важности решения проблемы управляемого синтеза легких ядер. Именно управляемого, а не спонтанного, как это происходит в результате страшного по мощности взрыва водородной бомбы. Почему, несмотря на отсутствие решающего успеха, ей продолжают уделять такое большое внимание во всех передовых промышленно развитых странах?

На первый взгляд, ответ на удивление проста: решив эту проблему, человечество получит неограниченное по мощности, дешевый источник энергии, который будет одинаково доступным для всех наций. Неожиданная простота ответы в сочетании с некоторой примесью пафоса (речь идет и о судьбе человечества, и о безграничных возможностях!) Может вызвать скепсис, и актуальность современных исследований в этой области кажется сомнительной. Ведь еще далеко не исчерпаны запасы угля и нефти, еще не израсходованы ресурсы гидроэнергии, почти не используется солнечная энергия, мы только начали эксплуатировать ядерное топливо - урановые и ториевые руды.

С позиций данного момента все это, конечно, верно в рамках статического, постоянного мира. Но мы живем в условиях мира динамичного, стремительно меняется. Чтобы завтра перед человечеством не появилось угроза энергетического голода, основы энергетики будущего должны закладываться уже сегодня. Здесь не должно оставаться даже тени сомнения или двусмысленности, так объясним приведенную мнение. Проследим, прежде всего, как менялась численность населения Земли. Разумеется, точность оценок, касающихся далекого прошлого, недостаточно, но это не меняет общей картины: понадобилось несколько сотен тысяч лет, чтобы человечество до 1830 года размножилось до одного миллиарда, за следующие сто лет добавился второй миллиард, и только тридцать лет понадобилось для появления на Земле еще одного миллиарда человек. В настоящее время годовой прирост составляет примерно 2%, то есть около 140 000 000 человек.

10000 лет до нашей эры (1 - 10) •
Начало нашей эры 250 •
1650 500 •
1850 1,1 •
1950 2,4 •
1975 4,0 •
2000 7,0 •

Хорошо известно, что наибольшее значение для стремительного роста населения имел прогресс медицины (снижение детской смертности, открытие антибиотиков). Перед будущими поколениями вскоре предстанут сложные проблемы расселения людей и регулирования численности человечества. Но независимо от этого люди должны есть, одеваться, иметь защиту от холода, не говоря уже об удовлетворении духовных потребностей, которые постоянно растут. Впрочем, не в отдаленном будущем, а уже в наше время проблема голода - одна из самых чувствительных. Полуголодное существование от колыбели до смертного часа - судьба четвертой части человечества. Если учесть темпы прироста населения, то даже радикальное решение социальных проблем не устраняет необходимости создания синтетической пищи (задача биологов) и обеспечения установок белкового синтеза энергетикой (задача физиков).

Сказанного достаточно, чтобы оценить всю серьезность ситуации. Рассмотрим теперь положение с энергетическим балансом. Целесообразно разделить источники энергии на две группы: воспроизводимые источники и "основной капитал". К первой группе относятся энергия ветра, рек и морских приливов, сельскохозяйственного и древесного топлива, геотермия (внутреннее тепло Земли), солнечная энергия. Ко второй группе относятся источники энергии, которые образовались в земной коре в результате геологической эволюции: уголь, нефть, горючие газы и, разумеется, ядерное топливо. В наше время в общем балансе энергопотребления первое место принадлежит углю, нефти и горючим газам. Человечество тратит пока основной капитал. В историческом аспекте происходило вытеснение дров и сельскохозяйственного топлива углем и нефтью.

Для дальнейших количественных оценок удобно ввести единицу энергии:

Джоулей.

Энергии 1 Q достаточно, чтобы нагреть до кипения два с половиной Ладожского озера. История материальной культуры и демографические оценки показывают, что за период с начала нашей эры до 1850 года человечество потратило 6 + 9 Q энергии. Потребление за следующие сто лет составило около 4 Q. В 1970 году мировое потребление было на уровне 0,2 Q, а в 2000 году оно составляло 1 Q При наличии темпы роста энергопотребления сохранятся, то к 2050 году оно достигнет 10 Q. Таким образом, через 50 лет человечество должно будет ежегодно тратить столько же энергии, сколько оно потратило со времен империи Августа до наших дней.

Естественно, возникает вопрос, в какой мере этот рост обеспечен имеющимися ресурсами. Прежде чем рассматривать оценку запасов, приведенную ниже, полезно обратиться к одному интересному соображения. Предположим, что человечество действительно начнет расходовать запасы потенциальной энергии (в конечном итоге превращая ее в тепло) на уровне, составляет заметную долю от общей энергии, Земля получает от Солнца. В таком случае мы должны быть готовы к тому, что произойдет смена климата нашей планеты. Точнее: вся солнечная энергия, которая достигает поверхности Земли, становит около 2500 Q в год. Увеличение энерговыделения, скажем, до 20-30 Q в год, если оно будет обеспечиваться сжиганием угля, нефти и газа, а следовательно, будет сопровождаться повышением содержания углекислого газа в атмосфере, приведет к ощутимым изменениям климата Земли («парниковый эффект»). В результате начнется таяние материковых льдов Антарктиды и Гренландии, в свою очередь вызовет повышение уровня Мирового океана. Возникнет необходимость в сложных гидротехнических работах, чтобы защитить от затопления огромные низменные территории на побережьях океана. Достаточно неожиданный результате Правда, если энергетика мира полностью перейдет на ядерное топливо, то содержание С02 останется на прежнем уровне и катастрофические изменения климата начнутся при более высоких темпов дополнительного энерговыделения. Однако, обсуждая перспективы развития энергетики планеты, не стоит прибегать к слишком далеких и смелых экстраполяций. В рамках допустимого предположения мы можем рассматривать как предельно возможную цифру дополнительного энерговыделения уровень, составляет ЗО Q в год

Воспроизводимые источники энергии соответствуют в совокупности (кроме сонячноиьенергии) не более 2-3 Q в год. Однако эксплуатация их в значительной мере экономически совсем бесперспективное и они, разумеется, не смогут удовлетворить растущие потребности мира. Таким образом, использование минерального сырья будет продолжаться.

Суммарные запасы угля, даже по оптимистическим оценкам, не превышают 150 (2, нефти и газа 10 Q. При этом, по мере расхода имеющихся ресурсов, добыча ископаемых будет связан с ростом технических трудностей и будет сопровождаться увеличением их стоимости. В итоге, по оценкам экспертов, запасы нефти (даже учитывая еще не открыты месторождения) будут исчерпаны в течение 30-40 лет, а угля - в течение 100-200 лет.

Однако и эта довольно мрачная перспектива не дает полного представления о серьезности современного положения. Дело в том, что мы все время использовали глобальные оценки, которые в результате усреднения создавали иллюзию относительного благополучия, по крайней мере, в отношении ближайшего будущего. Между тем минеральное сырье распределена крайне неравномерно по странам мира. Достаточно напомнить, что, например, Западная Еврот на 2/3 зависит от импорта энергетического сырья.

Нам остается рассмотреть вопрос об использовании солнечного тепла и ядерного топлива. К сожалению, солнечная энергия имеет незначительную плотность. Энергетическая освещенность на поверхности Земли при условии нормального падения солнечных лучей и прозрачной атмосферы составляет около 1 кВт / м2. К тому же коэффициент полезного действия фото- и термоэлектрических преобразователей невелик. Поэтому для обеспечения потребностей человечества через сто лет пришлось бы значительную часть поверхности Земли (около 10%!) Закрыть солнечными генераторами. Фантастичность подобного проекта очевидна.

Существуют два диаметрально противоположные ядерные процессы, протекающие с выделением энергии: процессы распределения и синтеза. Когда тяжелое ядро, захватывая нейтрон, делится, то при этом оно распадается на две (или более) части, которые, как правило, имеют неодинаковые массы. В результате выделяется энергия и одновременно высвобождается несколько нейтронов. Эти нейтроны снова можно использовать для разделения других тяжелых ядер. Когда происходит синтез, то два легких ядра, если они обладают достаточной энергией, сочетаются и образуют легкие продукты реакции, которые могут иметь значительно большую кинетическую энергию, чем исходные компоненты. Энергия в обоих случаях имеет ядерное происхождение. Ядра, имеющие среднюю массу, нельзя использовать ни для реакций деления, ни для синтеза.

Из всех ядер, какие только существуют в природе, только ядра урана подвергаются разделения с помощью медленных нейтронов и пригодны для использования в качестве топлива в большинстве реакторов. (Реакторы, которые могут производить энергию за счет быстрых нейтронов и которые, следовательно, могут использовать другое топливо, имеют небольшие размеры и поэтому малопригодны для выработки и получения больших количеств тепла. Такие реакторы на быстрых нейтронах находятся пока, в основном, на стадии разработки ). Однако торий и уран, встречающихся в естественном виде, .Может превращаться в и плутоний соответственно при захвате нейтрона, в том числе и тех нейтронов, освобождающихся при делении. Наиболее распространенные изотопы тория и урана (), которые являются исходным веществом для получения продуктов и, подвергающихся разделения, называются топливной сырьем.


Содержание урана в природном уране составляет 0,71%. Относительное содержание урана и тория в земной коре оценивается величинами порядка соответственно. Залежи тория известны меньше, поскольку их поиск является экономически нецелесообразным.

Оценки, полученные в последнее время, свидетельствуют, что западные страны имеют запасы урана около одного-двух миллионов тонн; его добыча обходится сравнительно дешево (около 10 долларов за фунт окиси урана). Несколько миллионов тонн может быть добыто за более высокой стоимости (10-30 долларов за фунт). Примерно такое же количество топливного сырья, включая торий, есть и в других странах. Поэтому доступными для добычи можно считать около тонн материалов, которые являются веществом для разделения. При условии полного использования этих тонн можно получить 5000 Q энергии, которые будут исчерпаны за несколько веков.

Кроме того, что несколько веков является кратковременным историческим периодом, использование материалов, которые делятся, создает серьезную проблему, связанную с радиоактивными отходами. В случае перехода энергетики на ядерное топливо количество долгоживущих радиоактивных отходов из ядерных реакторов станет угрожающе большой, и возникнет сложная и материально затратная проблема их захоронения. Использование для этого морского дна грозит отравлением океанской фауны, не обеспечивает необходимой безопасности и должно быть отвергнуто. Остается выброс радиоактивных продуктов в дальний космос.

Таким образом, вырисовывается неприятная альтернатива: жалкий энергетический паек или очень медленное, но постоянно прогрессирующее радиоактивное загрязнение планеты, бороться с которым чрезвычайно трудно.

Именно с этих позиций мы и должны подходить к перспективе использования управляемого синтеза легких ядер как основы энергетики будущего.

Практический интерес представляют для нас две реакции синтеза.

Здесь - тяжелый изотоп водорода - дейтерий, - другой, более тяжелый изотоп водорода - тритий, и - изотопы гелия.

Дейтерий, из всех природных ядер является наиболее подходящим для термо-ядерных реакций, есть в морской воде - его содержание составляет 0,0153%. Этого количества дейтерия достаточно для производства 30 Q энергии ежегодно в течение 109 лет.

Есть основания считать, что стоимость неядерного горючего и топлива, которое используется в реакциях деления, будет со временем расти, в то время как стоимость дейтерия (которая и сейчас низкая) будет снижаться.


В процессе синтеза не образуются вредные или долгоживущие радиоактивные вещества. Принято считать, что отношение радиоактивной опасности для реакторов деления и реакторов синтеза выражается как 1000: 1.

Ответ на вопрос о том, зачем нужен управляемый синтез, получена, и мы можем перейти к обсуждению особенностей проведения процесса термоядерного синтеза.

Сама природа реакции синтеза создает очень большие трудности. Чтобы два ядра могли слиться, они должны подойти достаточно близко друг к другу, несмотря на электростатическое отталкивание между ними. Для этого ядра должны иметь большую энергию, то есть необходимое для нагревания ядерного топлива. Необходимая для этого температура выше температуры во внутренних областях звезд и равна примерно К. При таких температурах все легкие атомы полностью ионизированные и газ состоит из голых ядер и свободных электронов. Такая совокупность заряженных частиц называется плазмой. Физика плазмы приобрела фундаментальное значение в середине двадцатого века, когда широко развернулось изучение процессов в космосе и стартовала программа исследований по управляемому термоядерному синтезу. С этого времени начался ее стремительный расцвет, объясняется огромным познавательным значением и грандиозностью задач, которые призвана решить физика плазмы. От ее успехов зависит во многом осуществления тех надежд, возлагаемых на решение проблемы управляемого синтеза легких ядер в плазменном среде, а вместе с тем и на реконструкцию энергетики будущего.

Когда речь идет об универсальной распространенность плазмы, мы не случайно обращаем свои взгляды к звездам и космического пространства, а не к поверхности Земли. Плазма, то есть ионизированный газ, атомы которого (все или большинство) потеряли часть своих электронов и превратились в положительные ионы, образуется и существует только в экстремальных условиях. Разумеется, слово "экстремальный" означает исключительность давлений, температур, потоков излучения и электромагнитных полей, наблюдаемых в звездах и космосе, по сравнению с теми, которые нас окружают под щитом плотной атмосферы и в пределах того узкого температурного интервала, который необходим для жизни. Появление плазмы в земных условиях - сравнительно редкое событие; вспышки молний во время грозы, полярные сияния или слабое свечение на металлических остриях при тихих коронных разрядах, вероятно, исчерпывает список природных плазменных феноменов в нашем окружении. Зато техническая цивилизация наших дней достаточно поставляет нам плазменных устройств и инструментов. Различные огне газосветовая реклам и набор газоразрядных приборов (выпрямителей, тиратронов, МГД-преобразователей и т.д.) - все это порождение технической электроники и тех исследований в области физики газового разряда, которые неуклонно развивались в течение десятилетий.

В наше время довольно горячую и достаточно плотную плазму получают в лабораторных условиях пока только на короткие промежутки времени; к тому же она еще не имеет полной мере того желаемого комплекса свойств, без которого процесс управляемого синтеза легких ядер невозможен.

Как уже отмечалось, для осуществления реакций синтеза необходимо нагреть плазму до высоких (К) температур (такую плазму называют "горячей" или "термоядерной"). Очевидно, что главные трудности заключаются в том, чтобы изолировать эту высокотемпературную плазму от стенок аппарата, в котором она находится. Иначе плазму через ее огромную теплопроводность не удастся нагреть даже до температуры в несколько сотен тысяч градусов, так как вся энергия, которая предоставляется ей, будет немедленно поглощаться стенками. Необходимо разработать очень эффективный метод теплоизоляции, исключающего контакт плазмы с любыми окружающими веществами. Это означает, что плазма со всех сторон должна быть окружена вакуумным пространством. Но как помешать частицам плазмы пойти за ее пределы, иначе говоря, как удержать плазму от расширения в вакуум? Очевидно, что этого можно достичь только путем применения магнитного поля, силовые линии которого окружали бы плазму и были параллельными стенкам аппаратуры. Заряженные частицы обвивались бы вокруг силовых линий и двигались бы вдоль поля, практически не смещаясь к стенкам. Эту идею магнитной термоизоляции по проблеме осуществления управляемого термоядерного синтеза впервые в СССР выразили в 1950 году А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм. Вполне самостоятельно той же мнению пришли примерно в те же годы физики США и Англии, но через непроницаемые барьеры секретности, существовавшие тогда, никто не знал, что происходит в этой области в других странах. Системы, в которых для термоизоляции плазмы используется магнитное поле, называются магнитными ловушками.

Вторым ключевым вопросом, который необходимо решить, является проблема устойчивости плазмы. Нужно установить, при каких условиях горячая плазма, уравновешенная магнитными силами, может сохранять устойчивость. Для этого были выполнены теоретические расчеты и проведены различные эксперименты, в результате которых было выявлено те условия, при которых плотная горячая плазма, полностью оторвана от стенок и удерживаемая в вакууме магнитными силами, будет оставаться в равновесии достаточно длительное время. Слово "длительное" употребляется здесь в том смысле, что каждый нейтрон в течение времени существования нагретой плазмы будет значительный шанс вступить в ядерную реакцию.

Третий вопрос, который в наше время тоже фактически решен, - это нагревание плазмы в высоких, "термоядерных" температур. Решить эту проблему можно разными путями: пропусканием сильных токов через плазму, введением в плазму высокочастотной электромагнитной энергии или инжекцией быстрых частиц, разогнанных до высоких скоростей в специальных устройствах.

Как будет выглядеть термоядерный реактор?

В результате слияния ядер дейтерия рождается ядро гелия (альфа-частица) и нейтрон. Термоядерная энергия, которая выделяется в виде кинетической энергии продуктов реакции, распределяется между ними обратно пропорционально их массам, так что 80% энергии синтеза приходится на нейтроны. Альфа-частицы будут оставаться внутри плазмы, тратя свою кинетическую энергию на ее "подогрев". Нейтроны же практически беспрепятственно (магнитное и электрическое поля на них не действуют) будут выходить с плазменной объема наружу. Таким образом, задача использования энергии сводится, в основном, к использованию энергии быстрых нейтронов.

Чтобы достичь этой цели, реагирующую плазму нужно окружить специальной оболочкой, в которой энергия нейтронов будет поглощаться и превращаться в тепло. Эту оболочку принято называть Бланкет (на английском - "одеяло"). В Бланкет должны быть каналы для циркуляции теплоносителя, который снимает энергию, выделяемую в результате торможения нейтронов. В первых реакторах будет использоваться обычный пароводяной способ преобразования тепловой энергии в электрическую, то есть энергия теплоносителя в теплообменнике будет передаваться воде, циркулирующей во втором контуре, превращать ее в пар под давлением, которая, соответственно, будет вращать турбины и генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Позже, возможно, будут разработаны другие способы преобразования термоядерной энергии в электрическую, в том числе способы прямого преобразования.

Обобщая сказанное, отметим, что задача создания промышленной термоядерной электростанции сводится в настоящее время к решению инженерных задач, которые хотя и являются чрезвычайно сложными и дорогими, однако не могут стать принципиальными препятствиями на пути к решению проблемы. По прогнозам, которые учитывают мнение как оптимистов, так и пессимистов, проблему создания термоядерной энергетики, возможно, удастся решить в первой четверти нового века. Природа может расставить на пути к термоядерному Эльдорадо лишь ограниченное количество трудностей, и после того, как человек, благодаря своей неустанной творческой активности, сможет их преодолеть, природа уже не сможет придумать новые.


 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >