Журнал «Вокруг Света» №1 за 2003 год - Вокруг Света

1998 год – закончен инженерный проект токамак-реактора ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Работы проводились совместными усилиями четырех сторон: Европы, России, США и Японии – с целью создания первого экспериментального реактора, рассчитанного на достижение долговременного термоядерного горения смеси дейтерия с тритием.

2010—2015 годы – планируется завершить строительство токамак-реактора ITER с полной мощностью термоядерных реакций не менее 1 ГВт при времени непрерывного горения плазмы десятки минут. Происходить оно будет с участием Канады, но без США, вышедших из консорциума. Стоимость данного проекта оценивается в 5 млрд. долларов.

2030—2035 годы – планируется закончить строительство первого демонстрационного термоядерного реактора, способного производить электроэнергию.

Топливный цикл разрабатываемых термоядерных реакторов в точности повторяет последовательность ядерных реакций, происходящих при взрыве водородной бомбы. Взрывчатым веществом термоядерной бомбы является дейтерид лития-6 – соединение тяжелого изотопа водорода (дейтерия) и изотопа лития с массовым числом 6. Дейтерид лития-6 – твердое вещество, и это позволяет хранить «сконцентрированный» дейтерий при плюсовых температурах. Второй компонент соединения, литий-6, – это сырье для получения самого дефицитного изотопа водорода – трития. При облучении его нейтронами он распадается на необходимый для термоядерной реакции тритий и неиспользуемый гелий. В термоядерной бомбе нейтроны, необходимые для термоядерной реакции, «обеспечивает» взрыв атомного «капсуля», и тот же взрыв создает условия, необходимые для начала реакции термоядерного синтеза, – температуру до 100 миллионов градусов и давление в миллионы атмосфер.

Таким образом, термоядерный реактор будет сжигать дейтерий и литий, а в результате реакций будет образовываться инертный газ гелий.

Для работы необходимо очень небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрической мощностью 1 ГВт сжигает около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить 10 трлн. кВт•ч электроэнергии в год, то есть столько же, сколько сегодня производят все электростанции земли, то потребление дейтерия и лития составят всего 1 500 и 4 500 тонн в год. При таком расходе содержащегося в воде дейтерия (0,015%) хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет. Но поскольку для производства трития необходим литий, энергетические ресурсы такого типа реакторов ограничены запасами лития. Разведанные рудные запасы лития составляют 10 млн. тонн, и этих запасов должно хватить на многие сотни лет. Кроме того, литий содержится в морской воде в концентрации менее 0,0000002% и количестве, превышающем в тысячи раз разведанные запасы.

Кроме термоядерной энергетики на литий претендует современная радиоэлектронная промышленность. Всем хорошо известны литий-ионные аккумуляторы для сотовых телефонов, видеокамер и фотоаппаратов, в которых используется тот же самый литий. Это самый легкий металл, и поэтому в 30-граммовом Li-ion-аккумуляторе находится существенно больше атомов, способных к электрохимической реакции, чем в 100-граммовом никель-кадмиевом, а следовательно, и запасенная в аккумуляторе энергия оказывается существенно выше.

В природной смеси изотопов на долю лития-6 приходится только 7,5%, поэтому рачительные хозяева уже сегодня отделяют его от основного изотопа литий-7 и складируют в качестве стратегических запасов. Правда, тритий можно получать и из лития-7, но данный способ пока не планируется к промышленному применению. В свете предстоящего энергетического кризиса особенно актуальны и понятны требования производителей аккумуляторов не выбрасывать отслужившие свой век батареи на свалку, а сдавать для повторного использования находящихся в них ценных и редких металлов. Хотя возможно, что именно городские свалки и будут теми самыми месторождениями полезных ископаемых, которые придется «разрабатывать» нашим потомкам…

Кроме слияния трития и дейтерия возможен чисто солнечный термояд, когда соединяются два атома дейтерия. В случае освоения данной реакции энергетические проблемы будут решены сразу и навсегда. Однако осуществить слияние двух ядер дейтерия – дело весьма непростое. В любом из известных вариантов управляемого термоядерного синтеза термоядерные реакции не могут войти в режим неконтролируемого нарастания мощности без последующего срыва плазмы и прекращения реакций. Таким образом, термоядерным реакторам присуща внутренняя безопасность.

Исходное топливо, потребляемое термоядерным реактором (дейтерий и литий), как и конечный продукт реакций (гелий), не радиоактивны. Радиоактивными являются промежуточные продукты реакций. В реакторе, использующем реакцию слияния дейтерия и трития, существуют два принципиальных источника радиоактивности. Первый – тритий, который участвует в топливном цикле реактора. Тритий радиоактивен и превращается в гелий-3 с испусканием бета-излучения с периодом полураспада 12,3 года. Второй источник радиоактивности – это активация нейтронами конструкционных материалов внутренней стенки и теплоносителя. В результате облучения нейтронами в них могут образовываться и накапливаться радиоактивные продукты ядерных реакций.

Специалисты утверждают, что термоядерная электростанция с тепловой мощностью 1 ГВт в плане радиационной опасности эквивалентна урановому реактору деления мощностью 1 КВт (типичный университетский исследовательский реактор). И это обстоятельство во многом является решающим фактором, вызывающим пристальное внимание правительств многих стран к термоядерной энергетике. Почти полное отсутствие радиоактивных отходов и минимальность радиоактивной опасности даже в случае катастрофического разрушения термоядерного реактора в сочетании с огромными запасами топлива для таких электростанций делает термоядерную энергетику крайне перспективной в плане преодоления грядущего энергетического кризиса.

ТОКАМАК – это один из вариантов устройства, способного формировать долгоживущую горячую плазму высокой плотности. При достижении определенных параметров плазмы в ней начинается термоядерная реакция синтеза ядер гелия из исходного сырья – изотопов водорода (дейтерия и трития). При этом в токамак-реакторе должно вырабатываться существенно больше энергии, чем затрачивается на формирование плазмы.

Впервые схема магнитного термоядерного реактора была предложена в 1950 году Андреем Дмитриевичем Сахаровым и Игорем Евгеньевичем Таммом. Токамак представляет по сути полый бублик (тор), на который намотан проводник, образующий магнитное поле. Основное магнитное поле в камере-ловушке, содержащей горячую плазму, создается тороидальными магнитными катушками. Существенную роль в удержании плазмы играет плазменный ток, который протекает вдоль кругового плазменного шнура и создает полоидальное магнитное поле. Ток в плазме поддерживается вихревым электрическим полем, создаваемым первичной обмоткой индуктора. При этом плазменный виток играет роль вторичной обмотки.

Владимир Решетов, доцент МИФИ, кандидат физико-математических наук

Pro et contra: По ком сохнет Арал

50 лет назад Аральское море обеспечивало благополучие всего Приаралья. В его солоноватой воде водилось более 20 видов промысловых рыб, которые нерестились в реках, а откармливались главным образом в озере. В удачные годы в нем вылавливали до 40 тысяч тонн рыбы. Промысловое рыболовство вели с помощью традиционных больших неводов, предназначенных для вылова пелагических (то есть обитающих на поверхности и в толще воды рыб). Такие сети забрасывались с больших рыбацких баркасов, рассчитанных на прием 30—50 тонн рыбы, или с лодок (в этом случае они вытаскивались на берег верблюдами). Аральское море становилось все более популярным местом отдыха: купание, рыбалка, что еще нужно? Численность жителей в большинстве населенных пунктов Приаралья возрастала. Очень существенным был и вклад Аральского моря в смягчение климата региона.

До конца 50-х годов объем Аральского моря был в целом постоянен. Весной площадь зеркала увеличивалась, а осенью многочисленные мелкие заводи вокруг моря пересыхали, превращаясь в солончаки. Такими же солончаками заканчиваются многочисленные пересыхающие реки, текущие в казахстанские полупустыни с высоких и снежных южных гор. Почвы вокруг солончаков также в той или иной степени засолены.

Однако, изобретя поливное земледелие, человечество получило и новый способ засоления почв. Атмосферные осадки: дождь, снег, туман – состоят из дистиллированной, лишенной солей воды. Поэтому, испаряясь, они не оставляют в почве солей. Воды рек уже содержат соли (0,002 г/л), которые, оставаясь на полях, отравляют почву. Еще древним земледельцам долин Евфрата или Нила пришлось изобрести промывку почвы и слив излишка воды. Современные технологии полива в жарком климате основаны в первую очередь на так называемом капельном орошении. Суть его в том, что подается строго минимальное количество воды, необходимое каждому растению. Это не только исключает перерасход воды, но и приводит к тому, что вся она поглощается вместе с солями, которые не остаются в почве.