Александр Проценко - Энергия будущего
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 грандиозную 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.
