Физика высокотемпературной плазмы

Сегодня до 80% основных потребностей в энергии обеспечиваются за счет сжигания органического топлива: нефти, газа и угля. Но запасы его ограничены и невосполнимы. Экология энергетики на основе органического топлива небезупречна. Образование СО2 при сжигании топлива приводит к «парниковому эффекту». Независимо от рассуждений о политических и экономических факторах, надо иметь в виду: если произойдет подъем среднегодовой температуры планеты более чем на 2˚C по сравнению с доиндустриальной эпохой, последствия для неё будут катастрофическими. Поэтому, для уменьшения выброса парниковых газов и уменьшения их влияния на климат необходимо как можно скорее заменить ископаемые источники энергии возобновляемыми источниками и ядерным топливом. Однако вызов не ограничивается уменьшением эмиссии парниковых газов. Действительно, даже если мы перейдем к более чистому миру к 2050 году, останется задача обеспечения энергией растущего населения Земли в долгой перспективе – задача, с которой не удастся справиться с помощью одних только возобновляемых источников энергии.

Что же взамен органического топлива?

Солнечная, ветряная и гидроэнергетика не могут обеспечить основные потребности человечества в энергии и играют лишь вспомогательную роль. Солнечная энергия слишком рассеяна и не везде доступна. Гидроэнергетика уже почти полностью задействована на Земле и к тому же оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Сейчас уже очевидно, что возобновляемыми источниками не удастся ограничиться в силу нестабильности выработки ими энергии и отсутствия технологий по запасанию в больших объемах вырабатываемой ими энергии.

Сегодня только энергетика на основе ядерных реакций может рассматриваться как долгосрочная перспектива человечества. Энергетика на основе ядерных реакций деления тяжелых элементов (урана) уже обеспечивает около 20% выработки электроэнергии в мире, и роль ее будет возрастать. Топливо для реакторов деления состоит из урана в твердой форме, в котором проходит цепная реакция с участием нейтронов и с выделением энергии. Среди продуктов реакции оказывается большое количество радиоактивных актиноидов с большим временем полураспада, вплоть до нескольких тысяч лет. Реакторы деления сталкиваются с опасностью аварий с расплавлением активной зоны ядерного реактора, налагающей строгие требования на систему контроля и водяного охлаждения. Необходимость выполнения этих требований была ясно продемонстрирована авариями на реакторах Три-Майл-Айленд, в Чернобыле и на Фукусиме. Доверие общественного мнения к реакторам деления было подорвано этими авариями, и будет близко к нулю в случае еще каких-либо аварий.  Более того, технологии связанные с делением ядер, являются неотъемлемой частью производства ядерного оружия и поэтому не могут быть полностью совместимы с концепцией нераспространения ядерного оружия и мирного использования ядерной энергии.

Природа подарила человечеству и другую потенциальную возможность – ядерные реакции синтеза (слияния) легких элементов с выделением колоссальной энергии. Реакции синтеза являются источником энергии Солнца, дающего жизнь всему живому на Земле. В недрах Солнца реакции синтеза протекают при температуре около 20 миллионов градусов. Более полувека тому назад ученые поставили задачу реализовать ядерные реакции синтеза в земных условиях с высвобождением энергии для практического использования. В неуправляемом виде этот процесс был реализован в середине ХХ столетия при взрыве водородной бомбы. Термоядерный синтез можно осуществить с помощью лития и дейтерия (изотоп водорода) в качестве топлива. Оба эти вещества распространены на Земле, первое в земной коре, а второе в морской воде, и они могут удовлетворить потребность человечества в энергии без сжигания углеводородов.  Реакция идет между дейтерием (D) и тритием (T). Последний можно получить прямо в реакторе, в литиевом бланкете. Выход энергии очень велик: 1 грамм дейтерий-тритиевого топлива производит столько же тепла, сколько 8 тонн нефти.

Проблема овладения энергией реакции ядерного синтеза в мирных целях получила название управляемый термоядерный синтез (УТС). Для энергетически выгодной термоядерной реакции D–Т-смесь в лабораторных условиях должна быть нагрета до 100 млн градусов (в 5 раз больше, чем в недрах Солнца). При этом D–T-газ превращается в полностью ионизированную плазму, состоящую из положительно заряженных ядер и электронов. При такой температуре скорость ядер дейтерия и трития такова, что ее достаточно для преодоления сил кулоновского отталкивания и слияния с образованием нейтрона и ядра гелия (α-частицы) с выделением энергии в 17,6 МэВ на один акт реакции. Энергия в 17,6 МэВ реализуется в виде кинетической энергии нейтрона (80%) и α-частицы (20%). Нейтрон, покидая плазму, попадает в теплоноситель, окружающий плазму, и его кинетическая энергия переходит в тепловую, а энергия ядер атома гелия (α-частицы) может быть использована для поддержания температуры плазмы в требуемом диапазоне.

Достоинства термоядерной энергетики

Изобилие топлива: запасы дейтерия в воде океанов неисчерпаемы, содержание лития в земной коре в 200 раз больше, чем урана.

Радиационная биологическая опасность термоядерных реакторов примерно в тысячу раз ниже, чем реакторов деления.

Физическая невозможность разгона (“взрыва”) реактора.

Условия протекания энергетически выгодной термоядерной реакции

Tемпература топлива (плазмы из дейтерия и трития) около 100 млн градусов.

Плотность (n) и время “жизни” (τE) горячей плазмы должны быть достаточно большими, чтобы успели произойти столкновение ядер дейтерия и трития и их слияние (под τE здесь понимается характерное время остывания плазмы при выключенной мощности нагрева).

-Как удерживать вещество в таком экстремальном состоянии?

На Солнце это делают гравитационные поля.

-А на Земле?

В 1950 году академики А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм предложили использовать магнитное поле для удержания плазмы. Магнитное поле ограничивает движение заряженных частиц высокотемпературной плазмы и термоизолирует ее от стенок камеры, в которой она создается. Общая идея магнитной термоизоляции породила массу конкретных решений. Выдающиеся российские ученые под руководством академика Л.А. Арцимовича разработали и реализовали концепцию термоядерной установки ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера МАгнитная Катушка).

scheme-of-tokamak pika

Альтернативная концепция, предложенная американским физиком Л. Спитцером в 1951 году, носит название стелларатор. С 1969 года установки токамак с магнитным удержанием плазмы стали мировым лидером в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу и сегодня считаются наиболее пригодными для создания термоядерного реактора. Классический токамак представляет собой тороидальную камеру в виде бублика, помещенную в тороидальное магнитное поле. В камере создается электрическое поле, приводящее к электрическому пробою газа и образованию плазмы. В плазме возникает продольный ток. Комбинация магнитного поля этого тока и тороидального магнитного поля создает условия для удержания и термоизоляции плазмы. Для поддержания плазменного витка с током в нужном положении создается поперечное к плоскости витка магнитное поле. Ток в плазме выполняет и другую существенную роль – он осуществляет начальный омический нагрев плазмы, как любого проводника. Этот способ нагрева плазмы позволяет поднять ее температуру лишь до 20–25 млн градусов. Этого недостаточно, и поэтому в систему входят устройства дополнительного нагрева плазмы до термоядерных температур. Для энергетически выгодного процесса энергия, выделяющаяся в результате термоядерной реакции синтеза, должна быть, естественно, больше энергии, потраченной на создание и нагрев плазмы до термоядерных температур. Если обозначить отношение этих энергий через Q, то, как показали детальные расчеты, для реактора требуется Q > 5. Для энергетического термоядерного реактора на основе установок токамак необходимо достижение следующих параметров: Т> 100 млн. градусов, τ > 1 секунда (время «жизни» горячей плазмы), Q> 5. Такова была цель многолетних исследований. В мире было сооружено около 300 установок типа токамак. Наиболее крупные из них были построены в Европе, Японии, США и России.

JET

Установка JET (Англия). В дейтериево-тритиевой плазме осуществлена термоядерная реакция с выделяемой мощностью 17 МВт и Q ≈0,6

На установках последнего поколения токамаков (TFTR, JET, JT-60) достигнуты температура и плотность плазмы, близкие к требуемым для термоядерного реактора, и осуществлена управляемая термоядерная реакция относительно малой мощности. Завершен принципиальный этап в разработке новой энергетики – осуществлена научная демонстрация управляемой термоядерной реакции синтеза в лабораторных условиях.

Что дальше?

Дальше – демонстрация управляемой реакции синтеза с термоядерной мощностью несколько сотен мегаватт и отработкой технологии ее практического использования. На юге Франции осуществляется глобальный мегапроект, который впервые позволит реализуя реакцию управляемого термоядерного синтеза тестировать технологию в промышленном масштабе. Все, что касается так называемого проекта ИТЭР, можно охарактеризовать словом “большой”. Он будет тяжелее, чем три Эйфелевых Башни. Обмотки его сверхпроводящих магнитов, если их растянуть, обойдут земной шар по экватору дважды. И его ориентировочная цена — €15 миллиардов  (или $16.8 миллиардов), делает его одним из самых масштабных научных проектов в истории. Страны-партнеры по проекту ИТЭР –Евросоюз, Индия, Китай, Россия, США, Южная Корея, и Япония представляют половину населения Земли.  Если этот проект будет успешным, реактор сделает возможной разработку коммерческих реакторов. (ITER –International Thermonuclear Experimental Reactor).

Некоторые ученые не поддерживают инвестиции в термоядерный синтез. Они мотивируют это тем, что, учитывая, насколько технология далека от реализации на рынке,  лучше делать наши финансовые вложения в проверенные методы получения энергии.  В их рассуждениях есть доля истины, имея в виду, что термоядерного синтеза можно достичь только в больших установках и за большое время, и инвестиции требуются большие.

В 1970-е годы американские исследователи сделали оценку, что для получения коммерческой термоядерной энергии требуются ежегодные инвестиции $2-3 миллиарда в период примерно до 1990-2005 (в зависимости от прилагаемых усилий). Также они оценили минимальный уровень финансирования, необходимый для исследований в этой области, чтобы они вообще когда-либо увенчались успехом. К сожалению, бюджет исследований термоядерного синтеза оставался меньше этой планки на протяжении более, чем 30-и лет.

Однако потенциал термоядерного синтеза попросту слишком велик, чтобы сдаваться. И, действительно, прогресс, достигнутый за последние годы, несмотря на недостаток финансирования, дает основания для дальнейших инвестиций. На установках по всему миру достигнуты необходимые для синтеза температуры, усовершенствованы технические возможности. Проект ИТЭР, когда он заработает, вобрав в себя все эти усовершенствования, позволит получить долгожданный поджиг плазмы, и мы окажемся в одном лишь шаге от конечной цели  — получения термоядерной энергии для электросети.

Без термоядерного синтеза энергетические возможности грядущих поколений будут существенно ограничены – и это создаст проблемы в равной мере для развитых и развивающихся стран. Академик Лев Андреевич Арцимович, один из изобретателей токамака, сказал, что  “термоядерный синтез будет готов тогда, когда он будет нужен обществу”. Хочется надеяться, что он был прав. Но, вместо того, чтобы оставить исследователей наедине с проблемами термоядерного синтеза, миру следует инвестировать в эту технологию. От этого может зависеть наше будущее.

Запуск ИТЭР и получение первой плазмы планируется в 2026 году.

Вот некоторые физические проблемы на пути к ИТЭР:

— взаимодействие плазмы с поверхностью пластин дивертора

— управление ELM

— гашение разряда при потере устойчивости (срыве)

— безиндукционное поддержание тока по плазме

— проблема накопления примесей в центре токамака

— надежная диагностика плазмы в условиях большой тепловой и радиационной нагрузки

… все эти проблемы, и многие другие, на пути к решению. О подробностях Вы можете узнать при обучении на кафедре физики плазмы. В решении некоторых проблем, связанных с управляемым термоядерным синтезом, активно участвуют сотрудники кафедры. Ведется совместная работа с коллективом ИТЭР и уже работающих токамаков во всем мире. Наши студенты имеют все основания рассчитывать на участие в ней!

Рассказывает аспирант кафедры физики плазмы Перевалов Артур: