Когда же придет победа?
Директор отделения физики плазмы академик Б. Кадомцев считает, что в начале 80-х годов на установках типа Токамак будет достигнута минимально необходимая величина критерия Лоусона и мы получим плазму с необходимыми параметрами. К этому времени в Принстонском университете в США будет запущена система ТФТР - установка типа Токамак. В Японии надеются получить желаемое на "Джи-ти-60". В организации Евратом будет запущен Токамак "Джет".
Все эти установки похожи друг на друга и в то же время различны, и задачи на них будут выполняться разные. На японской, например, будут проводиться в основном физические исследования плазмы; у американцев главная цель - получить интенсивную термоядерную реакцию. "У нас в ИАЭ, говорит Б. Кадомцев, - плазма с необходимыми параметрами будет получена на следующей физической модели, Т-15".
Кстати, для нее будет использована система энергоснабжения от Т-10. Чтобы на установке Т-15 получить магнитные поля необходимой величины, будут использованы катушки со сверхпроводниками, охлаждаемыми жидким гелием. Такая система уже проверена в ИАЭ на модели Т-7 меньшего объема. Значит, следующий шаг ясен. Через несколько лет будет осуществлена физическая демонстрация управляемой термоядерной реакции.
Но это еще не все. Впереди основная цель - первый энергетический термоядерный реактор. Когда он будет создан?
Не будем спешить с ответом. Сначала посмотрим, как он может выглядеть.
UWMAK-II
К нынешним дням разработано несколько проектов реакторов, проектов, во многом основанных на еще не проверенных идеях. Им придумано даже специальное название: "концептуальные проекты". Действительно, пока еще невозможно с достаточной точностью определить, при каких условиях будет осуществлена даже их физическая демонстрация. Между тем для правильного выбора пути в дальнейших исследованиях, оценки проблем, которые возникнут впереди, и, конечно, экономики, необходимо понять, как будут выглядеть будущие станции. Именно поэтому такие проекты-схемы, во многом основанные на еще не проверенных идеях и предположениях, и получили название концептуальных.
Вот передо мной один из таких проектов: UWMAK-II. Выполнен он в отделении энергетики Висконсинского университета. Начальные буквы его названия из названия университета; МАК - это конец слова "Токамак", дань советскому проекту. Римская цифра "два" означает, что это вторая версия.
Перевернем несколько страниц этого солидного тома и ознакомимся с основными параметрами установки.
Сердце ее, электрической мощностью 1700 мВт, - камера-бублик, в которой находится плазма. Внешний диаметр камеры - 35 метров, высота - 12. Только при таких размерах получается необходимая мощность термоядерной реакции и существенно возрастает время удержания энергии.
При термоядерной реакции в плазме, состоящей из дейтерия и трития, развивается температура 100- 120 миллионов градусов и выделяется энергия термоядерного синтеза в виде кинетической энергии ядер гелия и нейтронов. В последних - основная ее часть. Чтобы удержать нейтроны, камера-бублик окружена бланкетом - слоями графита, бериллия, лигия. Пролетая через стенку камеры, нейтроны соударяются с ядрами вещества бланкета и отдают им свою энергию, которая переходит в тепловую форму. Гелий, циркулирующий между слоями бланкета, переносит тепло в парогенератор, затем энергия пара в турбогенераторе преобразуется в электроэнергию.
Перевернув еще несколько страниц проекта, увидим главу, посвященную режимам пуска и работы реактора.
При пуске в камеру вводят почти в равном соотношении дейтерий и тритий. Для их разогрева используется омический нагрев. При подаче напряжения во вторичную обмотку трансформатора в первичной, роль которой выполняет плазма бублика, возникает ток, разогревающий эту плазму. Хотя на этот способ разогрева возлагались большие надежды, необходимую температуру получить оказалось невозможно: выше 10-15 миллионов градусов она не поднималась. При дальнейшем разогреве омическое сопротивление плазмы падало настолько, что никакое увеличение тока не помогало: температура плазмы не увеличивалась.
Множество идей и исследований было посвящено проблеме догрева плазмы до термоядерной температуры. По-видимому, наиболее удобным и эффективным способом является впрыскивание в плазму потока ускоренных нейтральных атомов дейтерия. Именно на нем остановились проектанты UWMAK-II. Вот принцип его работы.
На ускорителе-инжекторе мощностью 100 тысяч киловатт ионы дейтерия разгоняются до энергии в 750 тысяч электронвольт, затем в специальном устройстве инжектора они нейтрализуются и в течение 10 секунд впрыскиваются в камеру-бублик. При этом плазма в бублике разогревается до 80 миллионов градусов. Дальнейший ее разогрев до 100-120 миллионов градусов идет за счет термоядерной реакции, и реактор развивает полную тепловую мощность 5 тысяч мВт. В таком режиме его работа продолжается около 90 минут, за которые выгорают атомы дейтерия и трития. Вследствие появившихся в камере атомов гелия, а также частично атомов других элементов, выбитых из стенок камеры, реакция затухает, реактор останавчивается, и начинается пятиминутный цикл перегрузки топлива и очистки камеры. В течение этих пяти минут парогенератор продолжает работать, а турбогенератор вырабатывать электроэнергию. Происходит это потому, что в течение 90 минут работы установки часть энергии не превращали в электричество, а накапливали в виде тепла в специальных натриевых аккумуляторах. В пятиминутный перерыв разогретый в аккумуляторах теплоноситель натрий отдает свою энергию паровому контуру.
Итак, за пять минут нужно очистить камеру реактора от загрязняющих плазму веществ, заполнить ее свежей смесью дейтерия и трития и вновь его запустить.
Делается это так.
В действие включаются все 96 вакуумных насосов и создают в камере нужной степени вакуум. Теперь нужно ввести смесь горючего. В отношении дейтерия проблем особых нет. Его запасы практически безграничны.
В составе обычной воды имеется 0,016 процента тяжелой, а в ней и содержится дейтерий. Трития же в природе не существует. Его нужно всякий раз производить.
Наиболее удобный способ - облучение лития нейтронами. В этой реакции образуются гелий и тритий.
На первый взгляд кажется, что в термоядерном реакторе сделать это очень просто, использовав высвобождающиеся при синтезе нейтроны. Но проделать это очень не легко. Ведь на каждый нейтрон обязательно нужно получить не менее одного атома трития, а с учетом потерь- даже несколько больше одного. Однако беда в том, что не все нейтроны поглотятся литием, ибо он располагается за стенкой камеры, значит, часть нейтронов поглотится самой стенкой, часть, кроме того, в различных других конструкциях, а часть вообще вылетит из реактора. Короче, нужного количества трития в самом реакторе не получить. Как же быть?
Выход все же был найден. В бланкете реактора, кроме лития, поместили бериллий. Он и помог размножать нейтроны. Ведь если нейтрон, обладающий большой энергией, попадает в ядро бериллия, то в нем возможен и такой ход реакции, при которой из ядра вылетают два нейтрона; два - вместо одного! А это то, что и надо.
Так удается получать в реакторе достаточное количество трития. Дальше дело проще.
Из бланкета тритий поступает на очистку. А затем вместе с дейтерием направляется в камеру. На этом завершается полный цикл работы реактора. Для разогрева плазмы вновь подается ток, и цикл повторяется.
Мы с вами благополучно завершили мысленное путешествие по рабочему циклу. Но чтобы реактор действительно заработал и задействовал описанный здесь цикл, необходимо осуществить большую и длительную программу научных исследований, провести комплекс работ по созданию и изучению различных систем и устройств. Среди них специальные камеры с вакуумной откачкой диверторы. С помощью особым образом сформированных магнитных полей этими устройствами улавливают гелий, а также атомы с большим зарядом, которые глушат термоядерную реакцию. Это и системы с жидким гелием, охлаждающим катушки из сверхпроводящих материалов. Это и устройства, защищающие стенки камеры от постепенно разрушающего их потока нейтронов. Это и... Но, наверное, довольно. Путешествие по проекту может стать слишком долгим. Прервем его на этом месте, чтобы задаться вопросом: когда же можно создать такой реактор?
Вопрос этот не из легких. Разные ученые называют и различные сроки: одни называют 15 лет, другие - 20, третьи - 25. И трудно сейчас назвать более точную дату.
По мнению научного руководителя по проблеме управляемого термоядерного синтеза вице-президента Академии наук СССР Е. Велихова, создания первого опытно-промышленного термоядерного реактора можно ожидать в конце 90-х годов или в начале следующего века.
Промежуточный этап на этом пути - создание энергетического реактора. В нем можно будет не только осуществить научную демонстрацию термоядерной реакции, как в упомянутых здесь проектах Т-15, ТФТР или Джет-60, но и проверить работу отдельных важных систем реактора.
Ученые Советского Союза предложили разрабатывать и строить такой реактор совместными усилиями нескольких стран. При международном агентстве по атомной энергии сейчас создана рабочая группа, в которую вошли представители ряда стран Западной Европы, США, СССР, Англии, Японии.
Для этого международного проекта уже есть название - ИНТОР интернациональный Токамак реактор.
Задача группы - выработка предложений по целям, срокам и основным параметрам нового реактора. Группа должна в конце 80-х - начале 90-х годов дать рекомендации по научно-технической осуществимости ИНТОРа. Как видите, дело не такое уж далекое.
Попробуем подытожить все прогнозы. Начнем с демонстрационного физического реактора. Его намечено создать в начале 80-х годов.
Демонстрационный энергетический реактор - начало 90-х годов.
Первый опытно-промышленный согласно предположению ученых начнет "жить" в конце текущего - начале следующего века.
Что же касается ощутимого вклада в энергетику, то термоядерные реакторы смогут внести его лишь в 20- 30-е годы следующего столетия!
Не слишком ли долго ждать? Пожалуй, да! Нельзя ли побыстрей?
Такой вопрос задаем не только мы с вами, дорогой читатель.
Нельзя ли быстрей?
По-видимому, не будет преувеличением сказать, что, начав работы, связанные с осуществлением термоядерного синтеза, человек приступил к реализации одной из наиболее важных и смелых программ научного исследования, которые никогда еще не предпринимались. Эта программа во многих разделах превосходит даже гран диозную программу космических исследований.
По этому пути ученые идут уже почти три десятилетия. Срок не такой уж большой, но эта целая эпоха За этот период много понято, открыто, изобретено, создано. И все же... цель еще не близка.
Чем же привлекательна эта цель? Что обещает термоядерный реактор? Среди его многочисленных достоинств перечислим некоторые, чтобы читателю передалась хотя бы малая доля уверенности исследователей и инженеров, занимающихся этой проблемой.
Прежде всего термоядерный синтез открывает доступ к новому, практически неисчерпаемому источнику энергии - ядерной энергии легких элементов. Дейтерий широко распространен в природе: его всего в 6 тысяч раз меньше водорода. Общее количество дейтерия в океанских водах достигает 5 * 10^-16 килограммов.
Для первых термоядерных реакторов, основанных на слиянии дейтерия с тритием, нужен литий. Этот элемент присутствует в доступной для нас части земной коры с концентрацией около 0,002 процента. Общее же его количество - около 100 миллионов тонн (вспемните:
всего 0,1 грамма термоядерного топлива дает энергию, эквивалентную 500 литрам бензина).
Важным свойством установки управляемого термоядерного синтеза является ее безопасность. Это очень большое достоинство. И еще: поскольку в реакторе всегда будет находиться небольшое количество топлива, невозможна самопроизвольно разгоняющаяся ядерная реакция. По сравнению с реакторами деления термоядерные производят меньше радиоактивных отходов.
Другое интересное свойство, имеющее большое значение, - это возможность, по крайней мере в принципе, реализовать в установке прямое генерирование электроэнергии. Слово "в принципе" употреблено не случайно, поскольку пока неясно, как технически воплотить его в жизнь. Но основная идея процесса может выглядеть так: если в качестве горючего использовать только дейтерий, а не дейтерий и тритий, то при существенном увеличении температуры реакции только около одной трети освобождаемой энергии будут уносить нейтроны, а остальные две трети останутся в заряженных продуктах реакции. Кинетическая энергия этих заряженных частиц может быть преобразована непосредственно в электрическую. Например, если слегка увеличить напряженность магнитного поля, то увеличится плотность плазмы, это приведет к увеличению выработки в ней энергии, следовательно, возрастут температура и давление плазмы, вызывая ее расширение, преодолевающее магнитное поле. Изменение же магнитного поля, которое происходит при этом, в свою очередь, может вызвать появление наведенного напряжения в электрических цепях. Таким может быть процесс прямого получения электрической энергии. Однако не надо забывать, что это только идея, правда, очень привлекательная в принципе, но на деле может оказаться очень трудной и невыгодной.
Задача овладения управляемым термоядерным синтезом настолько заманчива, что породила очень много различных вариантов соответствующих установок.
Мы познакомились только с двумя из них.
Одно из увлекательных занятий в области термоядерных реакций придумывание новых подходов к проблеме. Но специалисты подтвердят, что и это нелегкая- задача. Из числа предложений, выдвинутых за многие годы, одни были красивыми и остроумными, другие хотя и многообещающими, но трудными и неспособными удовлетворить основным требованиям, предъявляемым к термоядерному реактору. В своей книге по управляемому термоядерному синтезу американский ученый А. Бишоп ввел специальное приложение № 4, которое озаглавил "Бесперспективные методы".
Среди идей, заслуживающих внимания и получивших дальнейшее развитие, в первую очередь стоит упомянуть предложение физиков Е. Завойского и Л. Рудакова об использовании для возбуждения термоядерных реакций мощных пучков релятивистских (сверхскоростных) электронов (Институт атомной энергии).
Основные идеи, касающиеся мишени и ее взаимодействия с электронным пучком, не отличаются от применения лазеров. Правда, здесь проще решается проблема затраты энергии. Ведь получить электронный пучок значительно проще и экономнее, нежели лазерный импульс такой же мощности. Имеющиеся здесь трудности связаны в основном с необходимостью создания системы очень точной фокусировки.пучка: расталкивание одноименно заряженных электронов этому очень мешает...
Что же дают обширные программы проводящихся и уже завершенных исследований? Как и в случае с программой космических исследований (она также имела своих критиков), она позволила повысить уровень ряда разделов науки не только собственно о плазме, но и в смежных с нею областях.
К примеру, очень важной проблемой для науки и человечества является понимание процессов, происходящих на Солнце, и прогнозирование поведения солнечной активности. Решение этой проблемы важно не только как еще один шаг в понимании деталей картины мира, ведь изменение активности Солнца сказывается на растительности, животном мире, погоде, жизнедеятельности человека.
Какое сверхтопливо обеспечивает долгое горение Солнца, каковы закономерности его горения? Две с половиной тысячи лет назад появилось первое физическое объяснение: древнегреческий философ Анаксагор утверждал, что Солнце - это не бог Аполлон, а просто большой раскаленный камень. Потом появились другие гипотезы: падение метеоритов на поверхность Солнца, сжимание его гравитационными силами...
Однако только после того, как было достигнуто достаточное знание о ядерных реакциях и их энергетическом балансе, пришло время главной гипотезы сегодняшнего времени: источник энергии на Солнце - термоядерные реакции.
Проведенные в последние десятилетия исследования по условиям протекания термоядерных реакций помогли несколько прояснить этот вопрос. Изучение состава Солнца показало, что солнечное вещество - это практически только водород и гелий. Отсюда как будто бы автоматически напрашивался вывод: водород превращается в гелий. Однако четыре ядра водорода не могут сразу слиться в одно ядро гелия.
Значит, возможно, это осуществляется не непосредственно, а через промежуточные реакции. Сейчас наиболее вероятными считаются два таких цикла: углеродно-азотно-кислородный и водородный, развивающийся через литиевую, борную, бериллиевую ветви.
Какие реакции и в какой пропорции действительно осуществляются в недрах Солнца, сказать трудно.
Не хватает многих данных об условиях и скорости их протекания Но часть этих данных как раз и появляется при изучении плазмы в процессе осуществления управляемого термоядерного синтеза.
К сожалению, очень многое в тайнах термоядерного синтеза на Солнце понять еще не удается, хотя для объяснения тех или иных несоответствий предложено достаточно много гипотез. Вот, например, одно из таких несоответствий. Сейчас роль главного источника энергии отводится водородному циклу. Он начинается в реакции слияния двух ядер водорода и образования ядра дейтерия с выделением при реакции позитрона и нейтрино.
Нейтрино! Всепроникающие частицы, потоки которых мы должны обнаружить на Земле! Вот мы и столкнулись с первым противоречием. Дело в том, что пока в проведенных экспериментах солнечные нейтрино не обнаружены. Есть ряд объяснений, которые, в свою очередь, требуют дополнительных исследований. И эги исследования ведутся наряду с продолжающимися работали по управляемому термоядерному синтезу.
Мы привели лишь один пример влияния программы УТС на исследования в других отраслях знаний. Осуществление программы оказало влияние и на другие области человеческой деятельности.
Термоядерный реактор еще не работает, но проведенные для него исследования и разработки позволили создать ионные двигатели на космических кораблях, используемые для систем ориентации. Внедряется технология магнитно-импульсной сварки. Изучение плазмы двинуло вперед проблему создания магнитогидродинамических генераторов электроэнергии. Мощные импульсные МГД-генераторы уже используются геологами для разведки природных ископаемых.
Проблема УТС еще не решена, однако наука и промышленность уже начинают ощущать отдачу от приложенных к ней усилий.
ГРОЗИТ ЛИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ГОЛОД?
Хорошо поставить вопрос - значит уже наполовину решить его.
Д.Менделеев
В начале 70-х годов страницы газет запестрели заголовками: "Энергетический кризис!", "Надолго ли хватит органического топлива?", "Конец нефтяного века!", "Энергетический хаос". Этой теме до сих пор большое внимание уделяют все средства массовой информации - печать, радио, телевидение. Есть ли какие-либо основания для такой тревоги? Да, они есть, ибо человечество вступает в сложный и достаточно долгий период коренного преобразования и мощного развития своей энергетической базы.
Сложность и трудность этого периода осознана большинством ученых, энергетиков, правительств. Что же делать? Надо решительно расширять масштабы современной энергетики, отыскивать новые источники энергии я развивать новые способы ее преобразования.
Сколько энергии нужно человеку?
Пожалуй, с самого начала нужно признаться, что ответить на этот очень трудный и очень актуальный и нужный вопрос однозначно невозможно. Очень нужный он потому, что от ответа на него зависит планирование и развитие энергетики, а следовательно, всей промышленности и народного хозяйства. От ответа на вопрос об актуальности развития атомной энергетики сейчас или чуть позже зависят порою принимаемые специалистами технические решения. Как мы убедились, необходимые характеристики и конструкция атомных реакторов-размножителей самым прямым образом связаны с темпами развития всей энергетики.
Вопрос этот и очень трудный. В книге академика Л. Мелентьева "Оптимизация развития и управления больших систем энергетики" есть такие строки: "Для общеэнергетической системы СССР последней четверти XX века главными неопределенными факторами, которые влияют на ее развитие и проявляются через неполноту исходной информации, являются: данные о необходимых потребностях в энергии..." Вы, конечно, заметили, что "главным неопределенным фактором" является вопрос - сколько же энергии нужно человеку? Попробуем хотя бы охарактеризовать пути подхода к этому вопросу и привести примерные величины потребности людей в энергии в ближайший период времени.
Чтобы человек мыслил, точнее, чтобы работал его мозг, нужно 10 ватт энергии. Мало? Да, немного. Этой подчеркивает совершенство мозга, ибо самые современные компьютеры, потребляющие те же ватты, ни по отдаче, ни по объему не могут сравниться с ним.
Мощность, развиваемая человеком в обыденной жизни (без тяжелой физической работы), 40-60 ватт. А поскольку "коэффициент полезного действия" нашего организма около 20 процентов, то затратить надо не 40- 60 ватт, а в пять раз больше, то есть уже около 250 ватт.
Эта дополнительная мощность выделяется в виде тепла.
Значит, за 12 часов активного бодрствования расходуемая энергия составит 3 киловатт-часа. В переводе на тепловые единицы это составит 2500 килокалорий. Такие аккуратные измерения баланса энергии в человеческом организме были проведены в связи с созданием различных систем жизнеобеспечения в космических кораблях для космонавтов.
Итак, 2500 килокалорий в виде жиров, углеводов и белков должен ежедневно получать организм человека.
Что еще? И для чего?
Проследим, как и для чего человек начал привлекать необходимую для существования дополнительную энергию. Обратимся вновь к истории и начнем с первобытнообщинного строя.
Сорок-пятьдесят тысяч лет назад первыми орудиями труда человека были камень, топор, копье. Все блага, добываемые им, были следствием разума и применения мускульной энергии. Долго не покорялась ему магическая сила огня. Наконец он научился добывать и сохранять его, обогревать и освещать свое жилище, приготовлять пищу. Ф. Энгельс писал: "Добывание огня трением впервые доставило человеку господство над определенной силой природы и тем окончательно отделило человека от животного царства".
Человек делает еще несколько шагов вперед!
Пять-десять тысяч лет до нашей эры им совершенствуются каменные орудия и... появляется лук. В ямахловушках, в которые попадают звери, царь природы использует силу тяжести, в других ловушках упругую силу отогнутой ветви. Позже начинается приручение животных, способных развивать мощность 200-400 ватт.
По современным понятиям, это очень немного, однако власть человека возрастает.
В жилищах появляется глиняная посуда, так как огонь получает "новую профессию": его уже применяют для гончарного производства. Бег человечества ускоряется. Наступил рабовладельческий строй.
В пятом веке до нашей эры народы овладевают искусством обработки изделий из меди, затем бронзы и, наконец, железа. Природная энергия огонь - используется при получении металла и его превращении в изделие. Совершенствуются и разнообразятся орудия труда. Изобретено колесо и колесные повозки. На лодках появился парус - это уже использование энергии ветра. Получают распространение такие механизмы, как рычаг, ворот, блок, умножающие мускульную силу человека Архимед вооружил людей катапультой, стрелометом и множеством других изобретений. Появляется и водяное колесо, мощность которого 1-4 киловатта.
До этого периода, просуществовав сотни тысяч лет, человек еще не притронулся к гигантским энергетическим кладовым невозобновляемой энергии - углю, нефти, газу И тем не менее по сию пору нас изумляют уникальные инженерные сооружения Пирамида Хеопса в Египте высотой 147 метров сложена из 2,3 миллиона блоков, каждый весом в среднем две тонны Строительство этих сооружений потребовало огромных затрат энергии До сих пор выясняются возможные технические приемы, которые могли быть использованы для возведения этих гигантских построек с изумительной точностью При длине сторон основания, равной 233 метрам, расхождение составляет ничтожную величину, всего два сантиметра Некоторые специалисты, сознающие невозможность найти объяснение, прибегают даже к "творчеству гостей из космоса"
Между тем человечество успело уже перейти в эпоху феодализма
Прошло всего несколько веков (с V по XVII век), и появляются промышленность и горное дело с еще очень простыми машинами. Уже созданы сукновальные станки и развилось кузнечное дело. Энергия ветра и воды используется в мельницах мощностью от 3 до 20 киловатт.
Усовершенствованные водяные колеса по своей мощности стали эквивалентны мускульной энергии трех-четырех тысяч человек.
Наконец, в XVII-XVIII веках, в период зарождения и становления капиталистических отношений, свершился переход к принципиально новому виду энергетики - теплоэнергетике. Был создан целый ряд паровых двигателей сначала это машины Дени Папена, Ньюкомена, а потом универсальные паровые двигатели Ползунова и Уатта. Затем появились двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины стали использоваться нефть и газ.
Директор отделения физики плазмы академик Б. Кадомцев считает, что в начале 80-х годов на установках типа Токамак будет достигнута минимально необходимая величина критерия Лоусона и мы получим плазму с необходимыми параметрами. К этому времени в Принстонском университете в США будет запущена система ТФТР - установка типа Токамак. В Японии надеются получить желаемое на "Джи-ти-60". В организации Евратом будет запущен Токамак "Джет".
Все эти установки похожи друг на друга и в то же время различны, и задачи на них будут выполняться разные. На японской, например, будут проводиться в основном физические исследования плазмы; у американцев главная цель - получить интенсивную термоядерную реакцию. "У нас в ИАЭ, говорит Б. Кадомцев, - плазма с необходимыми параметрами будет получена на следующей физической модели, Т-15".
Кстати, для нее будет использована система энергоснабжения от Т-10. Чтобы на установке Т-15 получить магнитные поля необходимой величины, будут использованы катушки со сверхпроводниками, охлаждаемыми жидким гелием. Такая система уже проверена в ИАЭ на модели Т-7 меньшего объема. Значит, следующий шаг ясен. Через несколько лет будет осуществлена физическая демонстрация управляемой термоядерной реакции.
Но это еще не все. Впереди основная цель - первый энергетический термоядерный реактор. Когда он будет создан?
Не будем спешить с ответом. Сначала посмотрим, как он может выглядеть.
UWMAK-II
К нынешним дням разработано несколько проектов реакторов, проектов, во многом основанных на еще не проверенных идеях. Им придумано даже специальное название: "концептуальные проекты". Действительно, пока еще невозможно с достаточной точностью определить, при каких условиях будет осуществлена даже их физическая демонстрация. Между тем для правильного выбора пути в дальнейших исследованиях, оценки проблем, которые возникнут впереди, и, конечно, экономики, необходимо понять, как будут выглядеть будущие станции. Именно поэтому такие проекты-схемы, во многом основанные на еще не проверенных идеях и предположениях, и получили название концептуальных.
Вот передо мной один из таких проектов: UWMAK-II. Выполнен он в отделении энергетики Висконсинского университета. Начальные буквы его названия из названия университета; МАК - это конец слова "Токамак", дань советскому проекту. Римская цифра "два" означает, что это вторая версия.
Перевернем несколько страниц этого солидного тома и ознакомимся с основными параметрами установки.
Сердце ее, электрической мощностью 1700 мВт, - камера-бублик, в которой находится плазма. Внешний диаметр камеры - 35 метров, высота - 12. Только при таких размерах получается необходимая мощность термоядерной реакции и существенно возрастает время удержания энергии.
При термоядерной реакции в плазме, состоящей из дейтерия и трития, развивается температура 100- 120 миллионов градусов и выделяется энергия термоядерного синтеза в виде кинетической энергии ядер гелия и нейтронов. В последних - основная ее часть. Чтобы удержать нейтроны, камера-бублик окружена бланкетом - слоями графита, бериллия, лигия. Пролетая через стенку камеры, нейтроны соударяются с ядрами вещества бланкета и отдают им свою энергию, которая переходит в тепловую форму. Гелий, циркулирующий между слоями бланкета, переносит тепло в парогенератор, затем энергия пара в турбогенераторе преобразуется в электроэнергию.
Перевернув еще несколько страниц проекта, увидим главу, посвященную режимам пуска и работы реактора.
При пуске в камеру вводят почти в равном соотношении дейтерий и тритий. Для их разогрева используется омический нагрев. При подаче напряжения во вторичную обмотку трансформатора в первичной, роль которой выполняет плазма бублика, возникает ток, разогревающий эту плазму. Хотя на этот способ разогрева возлагались большие надежды, необходимую температуру получить оказалось невозможно: выше 10-15 миллионов градусов она не поднималась. При дальнейшем разогреве омическое сопротивление плазмы падало настолько, что никакое увеличение тока не помогало: температура плазмы не увеличивалась.
Множество идей и исследований было посвящено проблеме догрева плазмы до термоядерной температуры. По-видимому, наиболее удобным и эффективным способом является впрыскивание в плазму потока ускоренных нейтральных атомов дейтерия. Именно на нем остановились проектанты UWMAK-II. Вот принцип его работы.
На ускорителе-инжекторе мощностью 100 тысяч киловатт ионы дейтерия разгоняются до энергии в 750 тысяч электронвольт, затем в специальном устройстве инжектора они нейтрализуются и в течение 10 секунд впрыскиваются в камеру-бублик. При этом плазма в бублике разогревается до 80 миллионов градусов. Дальнейший ее разогрев до 100-120 миллионов градусов идет за счет термоядерной реакции, и реактор развивает полную тепловую мощность 5 тысяч мВт. В таком режиме его работа продолжается около 90 минут, за которые выгорают атомы дейтерия и трития. Вследствие появившихся в камере атомов гелия, а также частично атомов других элементов, выбитых из стенок камеры, реакция затухает, реактор останавчивается, и начинается пятиминутный цикл перегрузки топлива и очистки камеры. В течение этих пяти минут парогенератор продолжает работать, а турбогенератор вырабатывать электроэнергию. Происходит это потому, что в течение 90 минут работы установки часть энергии не превращали в электричество, а накапливали в виде тепла в специальных натриевых аккумуляторах. В пятиминутный перерыв разогретый в аккумуляторах теплоноситель натрий отдает свою энергию паровому контуру.
Итак, за пять минут нужно очистить камеру реактора от загрязняющих плазму веществ, заполнить ее свежей смесью дейтерия и трития и вновь его запустить.
Делается это так.
В действие включаются все 96 вакуумных насосов и создают в камере нужной степени вакуум. Теперь нужно ввести смесь горючего. В отношении дейтерия проблем особых нет. Его запасы практически безграничны.
В составе обычной воды имеется 0,016 процента тяжелой, а в ней и содержится дейтерий. Трития же в природе не существует. Его нужно всякий раз производить.
Наиболее удобный способ - облучение лития нейтронами. В этой реакции образуются гелий и тритий.
На первый взгляд кажется, что в термоядерном реакторе сделать это очень просто, использовав высвобождающиеся при синтезе нейтроны. Но проделать это очень не легко. Ведь на каждый нейтрон обязательно нужно получить не менее одного атома трития, а с учетом потерь- даже несколько больше одного. Однако беда в том, что не все нейтроны поглотятся литием, ибо он располагается за стенкой камеры, значит, часть нейтронов поглотится самой стенкой, часть, кроме того, в различных других конструкциях, а часть вообще вылетит из реактора. Короче, нужного количества трития в самом реакторе не получить. Как же быть?
Выход все же был найден. В бланкете реактора, кроме лития, поместили бериллий. Он и помог размножать нейтроны. Ведь если нейтрон, обладающий большой энергией, попадает в ядро бериллия, то в нем возможен и такой ход реакции, при которой из ядра вылетают два нейтрона; два - вместо одного! А это то, что и надо.
Так удается получать в реакторе достаточное количество трития. Дальше дело проще.
Из бланкета тритий поступает на очистку. А затем вместе с дейтерием направляется в камеру. На этом завершается полный цикл работы реактора. Для разогрева плазмы вновь подается ток, и цикл повторяется.
Мы с вами благополучно завершили мысленное путешествие по рабочему циклу. Но чтобы реактор действительно заработал и задействовал описанный здесь цикл, необходимо осуществить большую и длительную программу научных исследований, провести комплекс работ по созданию и изучению различных систем и устройств. Среди них специальные камеры с вакуумной откачкой диверторы. С помощью особым образом сформированных магнитных полей этими устройствами улавливают гелий, а также атомы с большим зарядом, которые глушат термоядерную реакцию. Это и системы с жидким гелием, охлаждающим катушки из сверхпроводящих материалов. Это и устройства, защищающие стенки камеры от постепенно разрушающего их потока нейтронов. Это и... Но, наверное, довольно. Путешествие по проекту может стать слишком долгим. Прервем его на этом месте, чтобы задаться вопросом: когда же можно создать такой реактор?
Вопрос этот не из легких. Разные ученые называют и различные сроки: одни называют 15 лет, другие - 20, третьи - 25. И трудно сейчас назвать более точную дату.
По мнению научного руководителя по проблеме управляемого термоядерного синтеза вице-президента Академии наук СССР Е. Велихова, создания первого опытно-промышленного термоядерного реактора можно ожидать в конце 90-х годов или в начале следующего века.
Промежуточный этап на этом пути - создание энергетического реактора. В нем можно будет не только осуществить научную демонстрацию термоядерной реакции, как в упомянутых здесь проектах Т-15, ТФТР или Джет-60, но и проверить работу отдельных важных систем реактора.
Ученые Советского Союза предложили разрабатывать и строить такой реактор совместными усилиями нескольких стран. При международном агентстве по атомной энергии сейчас создана рабочая группа, в которую вошли представители ряда стран Западной Европы, США, СССР, Англии, Японии.
Для этого международного проекта уже есть название - ИНТОР интернациональный Токамак реактор.
Задача группы - выработка предложений по целям, срокам и основным параметрам нового реактора. Группа должна в конце 80-х - начале 90-х годов дать рекомендации по научно-технической осуществимости ИНТОРа. Как видите, дело не такое уж далекое.
Попробуем подытожить все прогнозы. Начнем с демонстрационного физического реактора. Его намечено создать в начале 80-х годов.
Демонстрационный энергетический реактор - начало 90-х годов.
Первый опытно-промышленный согласно предположению ученых начнет "жить" в конце текущего - начале следующего века.
Что же касается ощутимого вклада в энергетику, то термоядерные реакторы смогут внести его лишь в 20- 30-е годы следующего столетия!
Не слишком ли долго ждать? Пожалуй, да! Нельзя ли побыстрей?
Такой вопрос задаем не только мы с вами, дорогой читатель.
Нельзя ли быстрей?
По-видимому, не будет преувеличением сказать, что, начав работы, связанные с осуществлением термоядерного синтеза, человек приступил к реализации одной из наиболее важных и смелых программ научного исследования, которые никогда еще не предпринимались. Эта программа во многих разделах превосходит даже гран диозную программу космических исследований.
По этому пути ученые идут уже почти три десятилетия. Срок не такой уж большой, но эта целая эпоха За этот период много понято, открыто, изобретено, создано. И все же... цель еще не близка.
Чем же привлекательна эта цель? Что обещает термоядерный реактор? Среди его многочисленных достоинств перечислим некоторые, чтобы читателю передалась хотя бы малая доля уверенности исследователей и инженеров, занимающихся этой проблемой.
Прежде всего термоядерный синтез открывает доступ к новому, практически неисчерпаемому источнику энергии - ядерной энергии легких элементов. Дейтерий широко распространен в природе: его всего в 6 тысяч раз меньше водорода. Общее количество дейтерия в океанских водах достигает 5 * 10^-16 килограммов.
Для первых термоядерных реакторов, основанных на слиянии дейтерия с тритием, нужен литий. Этот элемент присутствует в доступной для нас части земной коры с концентрацией около 0,002 процента. Общее же его количество - около 100 миллионов тонн (вспемните:
всего 0,1 грамма термоядерного топлива дает энергию, эквивалентную 500 литрам бензина).
Важным свойством установки управляемого термоядерного синтеза является ее безопасность. Это очень большое достоинство. И еще: поскольку в реакторе всегда будет находиться небольшое количество топлива, невозможна самопроизвольно разгоняющаяся ядерная реакция. По сравнению с реакторами деления термоядерные производят меньше радиоактивных отходов.
Другое интересное свойство, имеющее большое значение, - это возможность, по крайней мере в принципе, реализовать в установке прямое генерирование электроэнергии. Слово "в принципе" употреблено не случайно, поскольку пока неясно, как технически воплотить его в жизнь. Но основная идея процесса может выглядеть так: если в качестве горючего использовать только дейтерий, а не дейтерий и тритий, то при существенном увеличении температуры реакции только около одной трети освобождаемой энергии будут уносить нейтроны, а остальные две трети останутся в заряженных продуктах реакции. Кинетическая энергия этих заряженных частиц может быть преобразована непосредственно в электрическую. Например, если слегка увеличить напряженность магнитного поля, то увеличится плотность плазмы, это приведет к увеличению выработки в ней энергии, следовательно, возрастут температура и давление плазмы, вызывая ее расширение, преодолевающее магнитное поле. Изменение же магнитного поля, которое происходит при этом, в свою очередь, может вызвать появление наведенного напряжения в электрических цепях. Таким может быть процесс прямого получения электрической энергии. Однако не надо забывать, что это только идея, правда, очень привлекательная в принципе, но на деле может оказаться очень трудной и невыгодной.
Задача овладения управляемым термоядерным синтезом настолько заманчива, что породила очень много различных вариантов соответствующих установок.
Мы познакомились только с двумя из них.
Одно из увлекательных занятий в области термоядерных реакций придумывание новых подходов к проблеме. Но специалисты подтвердят, что и это нелегкая- задача. Из числа предложений, выдвинутых за многие годы, одни были красивыми и остроумными, другие хотя и многообещающими, но трудными и неспособными удовлетворить основным требованиям, предъявляемым к термоядерному реактору. В своей книге по управляемому термоядерному синтезу американский ученый А. Бишоп ввел специальное приложение № 4, которое озаглавил "Бесперспективные методы".
Среди идей, заслуживающих внимания и получивших дальнейшее развитие, в первую очередь стоит упомянуть предложение физиков Е. Завойского и Л. Рудакова об использовании для возбуждения термоядерных реакций мощных пучков релятивистских (сверхскоростных) электронов (Институт атомной энергии).
Основные идеи, касающиеся мишени и ее взаимодействия с электронным пучком, не отличаются от применения лазеров. Правда, здесь проще решается проблема затраты энергии. Ведь получить электронный пучок значительно проще и экономнее, нежели лазерный импульс такой же мощности. Имеющиеся здесь трудности связаны в основном с необходимостью создания системы очень точной фокусировки.пучка: расталкивание одноименно заряженных электронов этому очень мешает...
Что же дают обширные программы проводящихся и уже завершенных исследований? Как и в случае с программой космических исследований (она также имела своих критиков), она позволила повысить уровень ряда разделов науки не только собственно о плазме, но и в смежных с нею областях.
К примеру, очень важной проблемой для науки и человечества является понимание процессов, происходящих на Солнце, и прогнозирование поведения солнечной активности. Решение этой проблемы важно не только как еще один шаг в понимании деталей картины мира, ведь изменение активности Солнца сказывается на растительности, животном мире, погоде, жизнедеятельности человека.
Какое сверхтопливо обеспечивает долгое горение Солнца, каковы закономерности его горения? Две с половиной тысячи лет назад появилось первое физическое объяснение: древнегреческий философ Анаксагор утверждал, что Солнце - это не бог Аполлон, а просто большой раскаленный камень. Потом появились другие гипотезы: падение метеоритов на поверхность Солнца, сжимание его гравитационными силами...
Однако только после того, как было достигнуто достаточное знание о ядерных реакциях и их энергетическом балансе, пришло время главной гипотезы сегодняшнего времени: источник энергии на Солнце - термоядерные реакции.
Проведенные в последние десятилетия исследования по условиям протекания термоядерных реакций помогли несколько прояснить этот вопрос. Изучение состава Солнца показало, что солнечное вещество - это практически только водород и гелий. Отсюда как будто бы автоматически напрашивался вывод: водород превращается в гелий. Однако четыре ядра водорода не могут сразу слиться в одно ядро гелия.
Значит, возможно, это осуществляется не непосредственно, а через промежуточные реакции. Сейчас наиболее вероятными считаются два таких цикла: углеродно-азотно-кислородный и водородный, развивающийся через литиевую, борную, бериллиевую ветви.
Какие реакции и в какой пропорции действительно осуществляются в недрах Солнца, сказать трудно.
Не хватает многих данных об условиях и скорости их протекания Но часть этих данных как раз и появляется при изучении плазмы в процессе осуществления управляемого термоядерного синтеза.
К сожалению, очень многое в тайнах термоядерного синтеза на Солнце понять еще не удается, хотя для объяснения тех или иных несоответствий предложено достаточно много гипотез. Вот, например, одно из таких несоответствий. Сейчас роль главного источника энергии отводится водородному циклу. Он начинается в реакции слияния двух ядер водорода и образования ядра дейтерия с выделением при реакции позитрона и нейтрино.
Нейтрино! Всепроникающие частицы, потоки которых мы должны обнаружить на Земле! Вот мы и столкнулись с первым противоречием. Дело в том, что пока в проведенных экспериментах солнечные нейтрино не обнаружены. Есть ряд объяснений, которые, в свою очередь, требуют дополнительных исследований. И эги исследования ведутся наряду с продолжающимися работали по управляемому термоядерному синтезу.
Мы привели лишь один пример влияния программы УТС на исследования в других отраслях знаний. Осуществление программы оказало влияние и на другие области человеческой деятельности.
Термоядерный реактор еще не работает, но проведенные для него исследования и разработки позволили создать ионные двигатели на космических кораблях, используемые для систем ориентации. Внедряется технология магнитно-импульсной сварки. Изучение плазмы двинуло вперед проблему создания магнитогидродинамических генераторов электроэнергии. Мощные импульсные МГД-генераторы уже используются геологами для разведки природных ископаемых.
Проблема УТС еще не решена, однако наука и промышленность уже начинают ощущать отдачу от приложенных к ней усилий.
ГРОЗИТ ЛИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ГОЛОД?
Хорошо поставить вопрос - значит уже наполовину решить его.
Д.Менделеев
В начале 70-х годов страницы газет запестрели заголовками: "Энергетический кризис!", "Надолго ли хватит органического топлива?", "Конец нефтяного века!", "Энергетический хаос". Этой теме до сих пор большое внимание уделяют все средства массовой информации - печать, радио, телевидение. Есть ли какие-либо основания для такой тревоги? Да, они есть, ибо человечество вступает в сложный и достаточно долгий период коренного преобразования и мощного развития своей энергетической базы.
Сложность и трудность этого периода осознана большинством ученых, энергетиков, правительств. Что же делать? Надо решительно расширять масштабы современной энергетики, отыскивать новые источники энергии я развивать новые способы ее преобразования.
Сколько энергии нужно человеку?
Пожалуй, с самого начала нужно признаться, что ответить на этот очень трудный и очень актуальный и нужный вопрос однозначно невозможно. Очень нужный он потому, что от ответа на него зависит планирование и развитие энергетики, а следовательно, всей промышленности и народного хозяйства. От ответа на вопрос об актуальности развития атомной энергетики сейчас или чуть позже зависят порою принимаемые специалистами технические решения. Как мы убедились, необходимые характеристики и конструкция атомных реакторов-размножителей самым прямым образом связаны с темпами развития всей энергетики.
Вопрос этот и очень трудный. В книге академика Л. Мелентьева "Оптимизация развития и управления больших систем энергетики" есть такие строки: "Для общеэнергетической системы СССР последней четверти XX века главными неопределенными факторами, которые влияют на ее развитие и проявляются через неполноту исходной информации, являются: данные о необходимых потребностях в энергии..." Вы, конечно, заметили, что "главным неопределенным фактором" является вопрос - сколько же энергии нужно человеку? Попробуем хотя бы охарактеризовать пути подхода к этому вопросу и привести примерные величины потребности людей в энергии в ближайший период времени.
Чтобы человек мыслил, точнее, чтобы работал его мозг, нужно 10 ватт энергии. Мало? Да, немного. Этой подчеркивает совершенство мозга, ибо самые современные компьютеры, потребляющие те же ватты, ни по отдаче, ни по объему не могут сравниться с ним.
Мощность, развиваемая человеком в обыденной жизни (без тяжелой физической работы), 40-60 ватт. А поскольку "коэффициент полезного действия" нашего организма около 20 процентов, то затратить надо не 40- 60 ватт, а в пять раз больше, то есть уже около 250 ватт.
Эта дополнительная мощность выделяется в виде тепла.
Значит, за 12 часов активного бодрствования расходуемая энергия составит 3 киловатт-часа. В переводе на тепловые единицы это составит 2500 килокалорий. Такие аккуратные измерения баланса энергии в человеческом организме были проведены в связи с созданием различных систем жизнеобеспечения в космических кораблях для космонавтов.
Итак, 2500 килокалорий в виде жиров, углеводов и белков должен ежедневно получать организм человека.
Что еще? И для чего?
Проследим, как и для чего человек начал привлекать необходимую для существования дополнительную энергию. Обратимся вновь к истории и начнем с первобытнообщинного строя.
Сорок-пятьдесят тысяч лет назад первыми орудиями труда человека были камень, топор, копье. Все блага, добываемые им, были следствием разума и применения мускульной энергии. Долго не покорялась ему магическая сила огня. Наконец он научился добывать и сохранять его, обогревать и освещать свое жилище, приготовлять пищу. Ф. Энгельс писал: "Добывание огня трением впервые доставило человеку господство над определенной силой природы и тем окончательно отделило человека от животного царства".
Человек делает еще несколько шагов вперед!
Пять-десять тысяч лет до нашей эры им совершенствуются каменные орудия и... появляется лук. В ямахловушках, в которые попадают звери, царь природы использует силу тяжести, в других ловушках упругую силу отогнутой ветви. Позже начинается приручение животных, способных развивать мощность 200-400 ватт.
По современным понятиям, это очень немного, однако власть человека возрастает.
В жилищах появляется глиняная посуда, так как огонь получает "новую профессию": его уже применяют для гончарного производства. Бег человечества ускоряется. Наступил рабовладельческий строй.
В пятом веке до нашей эры народы овладевают искусством обработки изделий из меди, затем бронзы и, наконец, железа. Природная энергия огонь - используется при получении металла и его превращении в изделие. Совершенствуются и разнообразятся орудия труда. Изобретено колесо и колесные повозки. На лодках появился парус - это уже использование энергии ветра. Получают распространение такие механизмы, как рычаг, ворот, блок, умножающие мускульную силу человека Архимед вооружил людей катапультой, стрелометом и множеством других изобретений. Появляется и водяное колесо, мощность которого 1-4 киловатта.
До этого периода, просуществовав сотни тысяч лет, человек еще не притронулся к гигантским энергетическим кладовым невозобновляемой энергии - углю, нефти, газу И тем не менее по сию пору нас изумляют уникальные инженерные сооружения Пирамида Хеопса в Египте высотой 147 метров сложена из 2,3 миллиона блоков, каждый весом в среднем две тонны Строительство этих сооружений потребовало огромных затрат энергии До сих пор выясняются возможные технические приемы, которые могли быть использованы для возведения этих гигантских построек с изумительной точностью При длине сторон основания, равной 233 метрам, расхождение составляет ничтожную величину, всего два сантиметра Некоторые специалисты, сознающие невозможность найти объяснение, прибегают даже к "творчеству гостей из космоса"
Между тем человечество успело уже перейти в эпоху феодализма
Прошло всего несколько веков (с V по XVII век), и появляются промышленность и горное дело с еще очень простыми машинами. Уже созданы сукновальные станки и развилось кузнечное дело. Энергия ветра и воды используется в мельницах мощностью от 3 до 20 киловатт.
Усовершенствованные водяные колеса по своей мощности стали эквивалентны мускульной энергии трех-четырех тысяч человек.
Наконец, в XVII-XVIII веках, в период зарождения и становления капиталистических отношений, свершился переход к принципиально новому виду энергетики - теплоэнергетике. Был создан целый ряд паровых двигателей сначала это машины Дени Папена, Ньюкомена, а потом универсальные паровые двигатели Ползунова и Уатта. Затем появились двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины стали использоваться нефть и газ.