Управляемый термоядерный синтез - практически неисчерпаемый, экологически чистый и безопасный по своему существу способ получения энергии. Этот процесс, который снабжает энергией наше Солнце и другие звезды, требует температуры в десятки миллионов градусов. Такие значения чужды для земных условий, но, между тем, они были достигнуты в некоторых лабораториях мира. За последние несколько лет большое количество энергии было получено с помощью управляемого термоядерного синтеза, который лег в основу действия токамака.
1 Управляемый термоядерный синтез
В реакции термоядерного синтеза ядра двух легких атомов объединяются в одно, более тяжелое. При этом масса исходных двух ядер оказывается больше, чем образовавшегося элемента. Разница масс выделяется в виде энергии в соответствии со знаменитой формулой e=mc2 , где m - разница масс, с-скорость света, е - энергия.
Термоядерный синтез - наиболее важный источник энергии нашей Вселенной, благодаря которому горят звезды. Внутри нашего Солнца каждую секунду 600 миллионов тонн водорода превращаются 596 миллионов тонн гелия, выделяя колоссальное количество энергии. Последовательность этих реакций известна как р-р цепочка синтеза. Она легко протекает в звездах, громадная масса которых создает необходимую температуру и давление, но ее нельзя воссоздать на Земле.
В реакциях термоядерного синтеза могут участвовать практически все легкие элементы, но в земных условиях можно реализовать лишь некоторые из них, для которых нужна сравнительно «небольшая » температура. Это реакции между тяжелыми изотопами водорода. В реакторах термоядерного синтеза, стеллаторах и токамаках, ядра дейтерия и трития объединяются в гелий, при этом испускается нейтрон и выделяется энергия.
D+T → 4He +n - 17.589 МеВ
Ядро дейтерия состоит из одного протона и одного нейтрона, трития - из одного протона и двух нейтронов. Дейтерий достаточно распространен в нашей природе. Так, один кубометр воды из любой реки или океана содержит 33 грамма дейтерия.
Тритий - радиоактивный элемент. Он испускает бета-лучи (энергетичные электроны), его период полураспада - 12,3 года. Из-за небольшого времени жизни тритий не накапливается в воде и это чрезвычайно редкий элемент. Его можно получить в лабораторных условиях при облучении лития нейтронами.
6Li+n →4He+T
2 Температуры, необходимые для термоядерного синтеза.
Термоядерный синтез протекает при чрезвычайно высоких температурах в десятки миллионов градусов. Такие значения нужны для того, чтоб придать ядрам большую скорость и заставить приблизится друг к другу на расстояния порядка атомного радиуса.На столь малых дистанциях действуют мощные ядерные силы, которые притягивают ядра друг к другу.Основное препятствие здесь - кулоновское отталкивание позитивно заряженных ядер. Чтобы его преодолеть и попасть в зону действия ядерных сил необходима огромная температура около 4 миллиардов градусов.
В реальности термоядерный синтез можно осуществить при несколько меньших температурах. По законам квантовой механики частичка может пройти сквозь потенциальный барьер, туннелировать, и для этого требуется гораздо меньше энергии, чем чтобы подняться на вершину барьера. Для реакции между дейтерием и тритием нужна температура порядка 40 000 еВ, что соответствует 100 миллионам градусов Цельсия.
При таких температурах любое вещество становится плазмой, т.е. газом из электронов и положительно заряженных ионов. Плазма - четвертое состояние вещества, ее свойства сильно отличаются от жидкостей, газов и твердых тел. Благодаря независимому движению разноименно заряженных частиц, она проводит электрический ток, хотя в целом остается нейтральна. Поскольку в нашем случае плазма находится при чрезвычайно высоких температурах, важно не допускать ее контакта со стенами реактора.
3 Удержание плазмы
В токамаках и стеллаторах для удержания плазмы используется магнитное поле. Электроны и положительные ионы, из которых состоит плазма, в магнитном поле двигаются по спирали вдоль силовых линий. Благодаря этому свойству плазма удерживается внутри магнитного поля. Токамак и стеллатор отличаются его конфигурацией.
Основное требование к магнитному полю - оно должно быть однородно. В противном случае возникает электрическое поле, которое двигает частички поперек силовых линий магнитного поля и выталкивает плазму наружу.
Самый простой пример однородного поля - это цилиндрическая конфигурация. Но использовать ее для удержания плазмы затруднительно, поскольку будут потери вещества на торцах. Если замкнуть цилиндр, получится тор. Тороидальное поле не однородно, оно больше с внутренней стороны тора и меньше с внешней. Чтобы компенсировать эту разницу необходимо создать дополнительное электрическое поле, противоположное к тому, что порождается неоднородностью магнитного.
Дополнительное поле создается электрическим током, который в стеллаторе течет по внешней обмотке реактора, а в токамаке индуцируется непосредственно в плазме.
В стеллаторе магнитное поле имеет сложную геометрическую конфигурацию и изготовление катушек необходимой формы - не простая техническая задача.
магнитное поле в стеллаторе катушки в стеллаторе
5 Токамак
В токамаке создается полоидальное магнитное поле - силовые линии имеют форму колец, которые обвивают тор.
магнитное магнитное поле в токамаке
Ток, который течет в плазме, разогревает ее (омический нагрев). Сопротивление плазмы сильно падает при увеличении температуры, по этому омический нагрев не эффективный для высоких температур. Дополнительно плазму подогревают пучком высокоэнергетичных нейтральных атомов или же радиоволнами.
Когда температура достигает необходимых значений, в камеру вводят топливо - смесь дейтерия и трития. В процессе термоядерной реакции синтезируется гелий и испускается нейтрон. И то и другое нейтральные частички, они без затруднений покидают реактор.
Нейтроны служат двойную роль. Во-первых, они взаимодействуют с литием и литиевыми соединениями в стенках реактора и таким образом синтезируется тритий. Во-вторых, соударяясь со стенками реактора, они отдают им свою кинетическую энергию, которая потом превращается в электрическую по стандартной схеме с использованием парогенератора и турбины.
Высокоэнергетичные нейтроны D-T реакции облегчают извлечение энергии из установки, поскольку они покидают удерживающее магнитное поле без потерь. Но, соударяясь со стенками реактора, они активизируют материал и делают его радиоактивным. В этой связи ведутся разработки специальных материалов, которые минимально поддаются активации.
6 Токамаки в мире.
Токамак - это аббревиатура от ТОроидальная КАмера с Магнитными Катушками.Использовать тороидальное поле для удержания горячей плазмы впервые предложили в 1951 году советские физики Игорь Тамм и Андрей Сахаров, сотрудники института атомной энергии им. Курчатова в Москве. В том же институте был построен первый токамак Т-3 в 1955 году.
токамак Т-3, построенный в институте им. Курчатова
В этом приборе получена температура в 10 миллионов градусов, недостижимая в мире на то время. Этот прорыв послужил подтверждением успеха токамаков.
Сейчас разработки ведутся в рамках международного сотрудничества ITER ( «путь» - в переводе с латыни). Основная цель его - демонстрация коммерческого использования термоядерного синтеза и решении физических и технологических проблем, которые станут на этом пути. ITER уже разработали проэкт токамака и выбрали место для строительства - исследовательский центр Кадараш (фр. Cadarache) на юге Франции, в 60 км от Марселя.
Членами ITER являются страны Евросоюза со Швейцарией, Китай, Япония, Индия, Российская Федерация и США.
7 Термоядерный синтез - практически неисчерпаемый, экологически чистый и по своей сути безопасный способ получения энергии.
Важное преимущество токамака - отсутствие долгоживущих радиоактивных отходов и принципиальная безопасность.
В отличии от реакции ядерного распада, термоядерный синтез - не цепной процесс и протекать самопроизвольно он не может. Кроме того, он очень чувствителен к условиям проведения. Небольшое изменение конфигурации магнитного поля или отклонение одного из множества параметров ведет к затуханию процесса.
Для работы токамака необходимо малое количество топлива. Несмотря на большой объем камеры топлива в токамаке содержится лишь несколько грам. Всего 100 кг дейтерия ( из 2800 кубометров воды) и 150 кг трития ( из 10 тонн литиевой руды) необходимо для работы 1000 МВ электростанции. Для сравнения: ТЕЦу той же мощности для работы в такой же период требуется 2,7 миллионов тонн угля.
Поскольку тритий получается непосредственно в реакторе при облучении лития нейтронами, топливом для токамака по существу является литий и дейтерий, которые не радиоактивные. Продуктом реакции является инертный газ гелий, который не создает угрозы истощению озонового слоя, кислотных дождей и парникового эффекта. Более того, поскольку гелий единственный газ, с помощью которого можно достигнуть температуры абсолютного нуля, это совсем не отход, а наоборот полезный в производстве продукт, тем более, что гелия очень мало содержится в атмосфере.