Александр Проценко - Энергия будущего
Вопрос — нужно ли сейчас интенсивно работать над термоядерной энергетикой, вкладывая в ее развитие большие средства, — совсем не праздный. Это серьезная научно-техническая проблема, связанная с планированием развития производственного потенциала общества.
Многие мои коллеги обсуждали и сейчас активно ее обсуждают. Не всегда удается прийти к единой точке зрения. Ведь в технике (а это относится и к термоядерной энергетике) действительно очень важно правильно оценить своевременность того или иного изобретения, установить необходимость развития работ и планирования затрат на его осуществление. Нужно ли вкладывать средства сейчас или подождать еще 20–30 лет, когда у общества появятся большие возможности и большие потребности?
В истории развития техники сколько угодно примеров слишком раннего появления изобретений. Вспомним один из наиболее разительных. Паровая машина и паровая турбина вошли в жизнь в XVIII веке, а их прообраз был создан и продемонстрирован римским математиком Героном еще в начале нашей эры. Его турбина — металлический шар — вращалась в опорах за счет реактивных сил пара, выбрасываемого из трубок, впаянных в шар. Полторы тысячи лет слишком большой срок!
Не ожидает ли то же самое термоядерную энергетику?
Нет, причина ее относительно медленного развития вовсе не в том, что для нее еще не пришло время. Энергетика нуждается в системах и установках, надежно обеспеченных топливом. Она ждет их сейчас и тем более через 20–30 лет. Нужны и новые, более совершенные и мощные источники энергии. Так, может быть, мощность будущих реакторов термоядерного синтеза слишком велика? Называют, например, мощность одного реактора для выработки электроэнергии, равную 5 миллионам киловатт! Много ли это? Да, по сегодняшним масштабам это много и сравнимо с мощностью отдельных энергосистем даже в СССР. Но лет через 20–30 она уже будет впору.
Еще одно важное и необходимое качество энергетических установок — их экономичность. По сегодняшним меркам тот термоядерный реактор, каким его сегодня представляют себе инженеры и проектанты, дороговат и убыточен. Но ведь это совсем не означает, что он не окажется выгодным через несколько десятилетий!
Не всегда в технике должно приниматься на вооружение только то, что дешево сейчас. Академик Н. Жаворонков приводил занятный пример. В 20-х годах на одном солидном ученом совещании обсуждался такой вопрос: стоит ли использовать для перевозок грузов автомобильный транспорт? Выступавшие отмечали большую грузоподъемность и скорость автомобилей, восхищались их комфортабельностью. Вывод же, сделанный совещанием, был по теперешним меркам анекдотичным: «Автомобиль не имеет широкой перспективы развития, поскольку он… менее экономичен, чем гужевой транспорт…» К таким абсурдным итогам можно прийти, если фетишизировать экономические критерии или неправильно их выбирать и применять.
Но вернемся к вопросу, который мы поставили раньше. Почему через три десятилетия после взрыва термоядерного устройства еще нет установок, в которых можно получать энергию за счет управляемого термоядерного синтеза?
Конечно, известную роль в темпах исследований могли сыграть и причины, о которых мы только что говорили выше. Но основными среди них следует признать значительные теоретические и технические трудности, которые встали перед теоретиками, экспериментаторами и инженерами на пути овладения термоядерной энергией. Преодоление этих трудностей и последующее широкое внедрение термоядерных реакторов в энергетику потребовало и еще потребует несколько десятилетий.
Американский ученый-химик Айзек Азимов, больше известный у нас как писатель-фантаст, на основании проведенного им самим анализа внедрения в промышленность ряда крупных изобретений пришел к выводу, что период времени от рождения научной идеи до ее масштабного внедрения в промышленность составляет около 50–60 лет. Конечно, эта закономерность во многом условна, а может быть, и просто случайна. Но тем не менее в энергетике действительно смена одних источников энергии другими, то есть занятие ими более половины энергетического баланса (дрова — уголь — нефть — газ), происходила через 50-100 лет, хотя в разных странах это было по-разному.
Эти рассуждения приведены лишь для того, чтобы показать: в задержке освоения термоядерного синтеза нет уж слишком специфичных причин. К сожалению, понимание и разработка теоретических основ термоядерных реакторов оказались процессом более сложным, нежели для реакторов деления ядерного горючего.
Но еще более впечатляет разница между физическими моделями этих реакторов, которые демонстрируют осуществимость обеих технологий. Вспомните о простейшем ядерном реакторе деления. Это кастрюля с водным раствором уранил-нитрата, обогащенного ураном-235. В ней за счет деления ядер урана может выделяться тепловая энергия.
Физическая модель термоядерного реактора гораздо сложней. Еще не ясно, как будут выглядеть ее отдельные узлы и системы, каковы будут ее параметры.
Для создания этого агрегата нужно преодолеть значительные трудности. Чтобы понять ее природу, обратимся к физике плазмы.
Проблема УТС
Физики, привыкшие экономно выражать с. оп мысли о физической природе вещей и событий и изображать их закономерности в виде формул и графиков, называют проблему овладения управляемым термоядерным синтезом коротко: проблема УТС.
В центре этой проблемы — плазма, наиболее распространенная форма вещества в природе. Мы уже знаем, что для слияния ядер легких элементов, скажем водорода и дейтерия, и получения энергии за счет этой реакции нужно сначала сильно нагреть оба элемента и перевести их в состояние плазмы смеси из электронов, оторвавшихся от атомов, и ионов-атомов, потерявших электроны и получивших в результате этого положительный заряд. При дальнейшем разогреве плазмы ядра в ней начинают сливаться с выделением энергии.
Величина ее будет зависеть как от температуры плазмы, так и от ее плотности, то есть от количества ионизированных атомов в единице объема.
Не при каждом соударении ионов происходит их слияние и выделение энергии. К сожалению, чаще всего столкновение будет происходить так, что ионы, упруго соударившись, разлетятся в разные стороны, как бильярдные шары. И только в некоторых отдельных случаях столкновение приведет к слиянию ионов, к синтезу их ядер с выделением энергии. Осуществление такого события тем вероятнее, чем выше скорости соударяющихся ионов, то есть чем выше температура плазмы. Не вызывает сомнения, что чем больше ионов в единице объема, тем вероятнее их столкновение, тем чаще станут сливаться ядра, следовательно, тем больше выделится термоядерной энергии. Каковы же величина и скорость ее освобождения?
Пусть в кубическом сантиметре плазмы находится тысяча триллионов (1015) атомов дейтерия. Тогда при температуре около 40 миллионов градусов мощность, выделяемая в одном кубическом сантиметре плазмы, будет равна всего 0,05 ватта. Это не очень много. Если для сравнения мощность обычной, включенной в сеть электрической лампочки отнести ко всему ее объему, то на один кубический сантиметр придется около одного ватта мощности, то есть в двадцать раз больше. Как же можно повысить мощность, выделяющуюся в плазме?
Конечно, увеличивая ее температуру. Например, если нагреть плазму до 400 миллионов градусов, то мощность увеличится до 7 ватт на кубический сантиметр.
Но ведь нужно еще как-то получить такую колоссальную температуру! Может быть, попробовать другие элементы? Очень заманчиво было бы использовать для синтеза водород, наиболее доступный и распространенный в природе элемент. Увы! Оказывается, соударения ионов водорода очень редко заканчиваются слиянием их ядер с выходом энергии. Поэтому мощность, выделяемая в единице объема водородной плазмы, очень мала.
Однако в недрах Солнца реакция взаимодействия ядер водорода протекает с заметной скоростью даже при меньшей температуре, равной всего 20 миллионам градусов. В чем же здесь дело? Оказывается, в том, что на Солнце плотность плазмы в значительной степени выше.
Кроме того, и это особенно важно, относительно малая величина мощности, выделяемой в единице его объема, не имеет особого значения, так как масса светила огромна и во всем его объеме происходит громадное количество реакций, обеспечивающих его «горение».
Но для земных условий нужно искать более интенсивные процессы. К счастью, один такой есть: это реакция двух изотопов водорода — тяжелого и сверхтяжелого, дейтерия и трития. При 40 миллионах градусов и плотности 1015 ядер в кубическом сантиметре мощность, выделяемая в такой плазме (Д-Т), составляет около 2 ватт в кубическом сантиметре, а при температуре 100 миллионов градусов уже около 50 ватт.
