Перспективи термоядерної енергетики

Стакан дейтерію, важкого ізотопу водню, присутнього в звичайній воді, потенергетичному «потенціалу» еквівалентний ешелону вагонів нафти. Цей вражаючий факт при наявності необхідних технологій обіцяє людству в далекому майбутньому невичерпне джерело енергії. Проект Міжнародного експериментального термоядерного реактора (ITER), заснований на реакції злиття ядер двох важких ізотопів водню, дейтерію і тритію, (до речі, які в великих кількостях присутні в Кіровоградській області України), в ядро ​​гелію, покликаний показати світу можливість промислового виробництва термоядерної енергії. І це майбутнє може виявитися не таким вже й далеким.

Перша згадка про «зоряну» термоядерну енергію відноситься ще на 1928 р, але систематичні роботи з керованого термоядерного синтезу почалися лише в 1950-х рр. відразу в трьох країнах: Англії, США і СРСР. І, як неважко здогадатися, спочатку далеко не в мирних цілях: перший успіх на цьому шляху пролунав в СРСР влітку 1953 року дуже голосно - вибухом першої в світі водневої бомби. Тоді ж з'явилася ідея використовувати термоядерну енергію в енергетиці, але первісна ейфорія перетекла в довгі роки пошуків і напруженої роботи.

Наступний крок до керованого термоядерного синтезу був зроблений фізиками СРСР А. Д. Сахаровим та І. Е. Таммом, які запропонували утримувати плазму за допомогою магнітного поля. Потрібно було тільки придумати технологію, за допомогою якої речовину можна не тільки довести до необхідної температури, але і утримати її. Іншими словами, створити пастку для плазми.

Вчені висунули ідею замкнутого магнітного термоядерного реактора. Проблема в тому, що магнітне поле стискає і утримує плазму в поперечному напрямку щодо силових ліній, а ось уздовж них плазма тече вільно, як по рейках. «Замкнути» плазму на шляху магнітних силових ліній можна різними способами, і також успішною виявилася ідея токамака - тороїдальної камери з магнітними котушками, де силові лінії магнітного поля як би навиваются на «бублик».

Токамак Т-3, в СРСР, на якому була отримана вражаюча для того часу температура плазми, став прабатьком магнітних пасток закритого типу, які почали створюватися у Франції (TFR), США (Alcator A), Японії (JFT) і трохи пізніше в Китаї. Робота над створенням токамаків стала найважливішим кроком на шляху до термоядерної енергетики.

Плазма - це повністю або частково іонізований газ, в якому сумарні негативні і позитивні заряди рівні. В цілому вона являє собою електрично нейтральне середовище. Ця четверта форма стану речовини (після твердого, рідкого і газоподібного) існує при температурах 104 ° C і вище.

Щільна високотемпературна плазма знаходиться тільки в зірках, на Землі її можна отримати лише в лабораторних умовах. Ця незвичайна для нас «промениста матерія» вражає уяву великим числом ступенів свободи і одночасно здатністю до самоорганізації і відгуку на зовнішній вплив, такий як електричні та магнітні поля.

Плазму можна утримувати в магнітному полі, змушуючи приймати різні форми, але вона прагне зайняти найбільш енергетично вигідне для неї положення: подібно до живого організму, вона буде вириватися на свободу з жорсткої «клітки» магнітної пастки, якщо конфігурація останньої її не влаштовує.

Отримання мирної термоядерної енергії - майже реальність

Одна з головних проблем, яку треба вирішити при створенні термоядерної електростанції - підвищення її ККД, тобто співвідношення потужностей, отриманої і витраченої в ході термоядерної реакції. Цей параметр (фактор Q), природно, повинен бути більшим за одиницю. Для промислової ж електростанції значення Q має бути не менше п'яти: тільки в цьому випадку заряджені альфа-частинки, які разом з нейтронами народжуються при термоядерної реакції, але, на відміну від останніх, не покидають магнітну пастку, будуть сприяти підтримці високої температури. Таким чином, при Q, рівному п'яти, досить один раз «запалити» плазму, а потім ніяких додаткових маніпуляцій з реактором проводити вже не треба. В ідеалі значення Q має сягати десяти.

У 1980-х рр. виникла ініціатива будівництва міжнародного експериментального термоядерного реактора - з проектом ІТЕР.

Вибір припав на область Прованс на південно-сході Франції. Це місце відповідало всім вимогам, включаючи комфортний клімат і хорошу транспортну доступність, в тому числі по морю. Останнє було важливо, тому що транспортувались громіздкі деталі, вага яких досягала 100 т і більше. 

ІТЕР - це токамак, тобто магнітна пастка закритого типу, проте світові ІЯФ працюють ще над створенням альтернативного варіанту - відкритих магнітних пасток. 

У програмах термоядерних досліджень всіх технологічно розвинених країн в якості пального сьогодні розглядається дейтерій-тритієва суміш. Вивчення інших варіантів термоядерного пального (дейтерій-дейтерій, дейтерій-гелій-3, протон-бор-11) носить поки академічний характер, так як по ряду істотних фізико-технічних факторів ці реагенти істотно поступаються Д-Т-паливу.

Є й фізичні завдання, які також потребують вирішення. Основна з них - проблема взаємодії плазми з поверхнею. Коли токамак працює в режимі хорошого утримання, плазма сходить з поверхні «бублика» в спеціальний пристрій (дивертор) порціями, а не суцільним потоком. І кожна така порція несе руйнівну енергію: теплове навантаження на нього виявляється більше, ніж на внутрішні стінки рідинних ракетних двигунів. Тому, якщо не вживати ніяких заходів, матеріал конструкції швидко стоншу'ться.

Ще час від часу і з невідомих причин відбувається так званий зрив плазми, коли вона переходить в нестійкий стан і повністю виливається в дивертор. Завдання розпадається на кілька складових: які граничні навантаження витримує дивертор, як зменшити потік плазми і чи є спосіб її перевипромінити як ліквідувати або керувати таким зривом?

Wendelstein 7-x в Німеччині 

Сонце - природний термоядерний реактор

Плазма - надгуста суміш на основі водню, ядра атомів якого під високим тиском та за високої температури переплавляються та звільняють електрично заряджені частки.

За словами професора Роберта Вольфа, який відповідає за оптимізацію на реакторі, принцип полягає в тому, що коли якусь речовину підігрівають спочатку до рідинного, а потім газоподібного стану, то наступним станом (якщо її підігрівати далі) і є плазма.

Саме ця плазма і має забезпечувати ту кількість енергії, яка потрібна для термоядерного синтезу. Під час цього процесу плавляться обидва ізотопи водню – дейтерій та тритій. Після цього виділяється газ гелій та нейтрони, тобто електрично заряджені частки. Саме їхня енергія передусім і може бути перетворена на електричний струм.

Wendelstein 7-x

Головний плюс такої ідеї в тому, що запаси сировини є необмеженими. Адже дейтерій можна легко отримувати зі звичайної води, а тритій, для одержання якого потрібен метал літій, можна виробляти прямо на місці, в окремих приміщеннях. За термоядерного синтезу всього лише з одного граму обох речовин виробляється величезна кількість енергії, яка за кількістю дорівнює тій, що утворюється від спалення 11 тонн вугілля.

І це все без шкідливих викидів вуглекислого газу, радіоактивних відходів, розпад яких триває тисячі років. А до того ж без ризику вибуху. Але все не так безхмарно, адже на заваді стоїть проблема забезпечення необхідної температури плавлення ядер, що сягає 100 мільйонів градусів.

Зараз час термоядерної енергетики дійсно прийшов - промисловий термоядерні реактори - термоядерні елеатростанції дуже скоро будуть необхідні то всім розвиненим країнам світу