Современная энергетика и современная промышленность с каждым годом требует всё больше и больше энергии. Также последнее время возрастают требования к экологичности энергии. Современные альтернативные источники энергии (ветряные электростанции, солнечные панели, гидроэлектростанции и др.) хоть и активно развиваются, но всё равно имеют ограничения заключающееся в том, что количество энергии, которое переносят те виды природных явлений, работа которых и преобразуется в электроэнергию, ограничено при сохранении комфортности среды обитания. Поэтому рано или поздно, даже с эффективными преобразователями, при использовании альтернативных источников энергии для увеличения выработки приходится увеличивать количество электростанций, что сопряжено с использованием местности без возможности её как-то дополнительно ещё использовать, также для разных видов альтернативных электростанций имеют требования к местности размещения и условиям окружающей среды (например солнечные электростанции буду эффективно работать только в условиях солнечной местности, ветряные в условиях равнинной и т. п.). К сожалению наша страна имеет много климатических и географических ограничений для некоторых видов альтернативных электростанций, в наших условиях эффективно будут работать только ветряные, приливные электростанции и электростанции, основанные на переработке биоматериалов.
С задачами выработки большого количества энергии и её экологичности хорошо справляются ядерные электростанции, также ядерная энергия является одной из самых дешёвых видов энергии. ЯЭС не зависят от места, могут представлять из себя достаточно компактные установки, но ЯЭС для работы, хоть и очень долгой, используют добываемые, либо искусственно синтезируемые материалы. Материалы и отходы являются радиоактивными материалами, отчего присутствует риск утечки их в окружающую среду, что окажет на неё очень серьёзное пагубное воздействие, а также всегда присутствуют траты на герметизацию и утилизацию радиоактивных отходов. Современной и перспективной веткой развития энергетики является Термоядерная энергетика. У неё есть как минимум несколько предполагаемых преимуществ: Генерация большего количества энергии — реакции термоядерного синтеза, на которых основана идея будущих реакторов, являются более выгодными с точки зрения выделения энергии, чем ядерные реакции деления; Более экологически чистые — продуктами термоядерных реакций являются стабильные элементы, не наносящие большого вреда окружающей среде; Доступность расходного топлива — термоядерные реакции используют в основном водород и его изотопы, которые в природе встречаются намного чаще и имеют большее распространение во вселенной, поэтому также водород и его изотопы можно получить в чистом виде, а не в виде руды, вследствие чего его не надо дополнительно обогащать.
Для осуществления термоядерной реакции нам нужно сблизить два водородоподобных атома (водород и его изотопы), отсюда проблема — наличие кулоновского барьера. Для его преодоления атомы можно перевести в возбуждённое состояние, тогда атом будет “стремиться” заполнить некомпенсированные энергетические уровни и начнёт притягивать соседние частицы, сила притяжения может преодолеть кулоновской барьер. Для возбуждения атомов можно использовать мощные ЭМ поля, но они потребуются очень мощные, а также частицы будут получать дополнительное ускорение из-за силы Лоренца и поляризоваться, что может усилить кулоновский барьер. Можно использовать высокие температуры, например, с помощью плазмы, как это происходит в звёздах — единственном естественном источнике термоядерной энергии. Но плазма — нестабильная субстанция, теория её устойчивости и поведения в целом до сих пор полностью не разработана, но попытки создания устройств для генерации управляемого сгустка плазмы производятся довольно давно.
Так в 1950 год у в Советском Союзе предложили установку «Токамак» (тороидальная камера с магнитными катушками), которая легка в основу современной разрабатываемой экспериментальной термоядерной установки — международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Tokamak Experimental Reactor), описываемой ниже. Его строительство идёт сейчас во Франции, а в работе участвуют Страны ЕС, США, Россия, Казахстан, Япония, Китай, Южная Корея и Индия.
Устройство и принцип работы термоядерной электростанции: В центральной части располагается тороидальная (в форме бублика) камера объемом ~2000 м3, заполненная тритий-дейтериевой (T–D) плазмой, нагретой до температуры выше 100 M°C. Образующиеся при реакции синтеза (1) нейтроны покидают «магнитную бутылку» и попадают в показанную на рисунке оболочку с толщиной около 1 м.
Внутри оболочки нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития:
нейтрон + литий → гелий + тритий
Кроме этого, в системе происходят и конкурирующие реакции (без образования трития), а также много реакций с выделением дополнительных нейтронов, которые затем также приводят к образованию трития (при этом выделение дополнительных нейтронов может быть существенно усилено, например, за счет введения в оболочку атомов бериллия и свинца). Общий вывод состоит в том, что в этой установке может (по крайней мере, теоретически) происходить реакция ядерного синтеза, при которой будет образовываться тритий. При этом количество образующегося трития должно не только обеспечивать потребности самой установки, но и быть даже несколько большим, что позволит обеспечивать тритием и новые установки. Именно эта концепция работы должна быть проверена и реализована на описываемом ниже реакторе ITER.
Кроме этого, нейтроны должны разогревать оболочку в так называемых пилотных установках (в которых будут использоваться относительно «обычные» конструкционные материалы) примерно до температуры 400°C. В дальнейшем предполагается создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000°C, что может быть достигнуто за счет использования новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). Выделяющееся в оболочке тепло, как и в обычных станциях, отбирается первичным отводящим контуром с теплоносителем (содержащим, например, воду или гелий) и передается на вторичный контур, где и образуется водяной пар, подающийся на турбины.
Для поддержания нужного состояния плазмы и питания подсистем, в ITER используются подстанции, что указывает на недостаток — огромные энергетические затраты на работу проекта ITER — и вообще любой установки для синтеза. Термоядерные реакторы — установки пока что экспериментальные, и в них происходит два вида потребления электричества. Первый — необходимые подсистемы, например, криостаты, вакуумные насосы, обогрев, вентиляция и кондиционирование зданий; эта энергия тратится всё время, даже когда плазма неактивна. В случае с ITER этот непрерываемый поток электричества находится в пределах 75–110 МВт, как писал Дж. С. Гаскон с соавторами в статье 2012 года для журнала Fusion Science & Technology, “Design, Challenges and Key Features for the ITER Electrical Power Distribution”.
Второй вид потребления связан с самой плазмой и работает импульсно. Для ITER потребуется не менее 300 МВт на несколько десятков секунд для разогрева плазмы и установления её стабильной конфигурации. В 400-секундной рабочей фазе потребуется порядка 200 МВт для поддержки термоядерного горения и контроля стабильного поведения плазмы.
Даже во время оставшихся восьми лет строительства электростанции потребление энергии будет находиться в районе 30 МВт — это довольно большие затраты по эксплуатации при наличии ещё и других трат, предшествующие будущим непрерываемым тратам энергии.
В наиболее передовых существующих установках типа токамак давно достигнуты температуры порядка 150 M°C, близкие к значениям, требуемым для работы термоядерной станции, однако реактор ITER должен стать первой крупномасштабной энергетической установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. В дальнейшем необходимо будет существенно улучшить параметры ее работы, что потребует, главным образом, повышения давления в плазме, так как скорость слияния ядер при заданной температуре пропорциональна квадрату давления. Основная научная проблема здесь опять-таки в недостаточной разработанности теории поведения плазмы для прогнозирования её поведения, но уже имеющиеся модели предсказывают возникновения очень сложных и опасных сингулярностей, то есть нестабильных режимов работы.
Как видно из вышесказанного, проекты термоядерной энергетики пока не выходят за пределы экспериментальных установок, которые требуют огромных финансовых вложений, не имея финансовой отдачи, огромных временных затрат, людских ресурсов и довольно часто встречают скепсис по поводу их целесообразности. То, что подобные установки разрабатываются даже несмотря на серьёзные теоретические трудности, говорит о том, что человечество переходит в новый этап энергетики, отказываясь от технологий прошлого тысячелетия, ставя в центр будущего уклада эффективность, чистоту и наукоёмкость.
Литература:
- Daniel Jassby, “ITER is a showcase … for the drawbacks of fusion energy”, 2012, [Электронный ресурс].- URL: https://thebulletin.org/2018/02/iter-is-a-showcase-for-the-drawbacks-of-fusion-energy/
- Игорь Семёнов, “Энергетика будущего: управляемый термоядерный синтез. Что такое термоядерный реактор ИТЭР и почему так важно его создание?”, видеолекция, [Электронный ресурс].-URL:https://elementy.ru/video/114/Energetika_budushchego_upravlyaemyy_termoyadernyy_sintez_Chto_takoe_termoyadernyy_reaktor_ITER_i_pochemu_tak_vazhno_ego_sozdanie
- “What the ITER”, [Электронный ресурс]. URL:https://www.iter.org/proj/inafewlines
- “What is a TOKAMAK”, [Электронный ресурс].-URL:https://www.iter.org/mach/tokamak
