Реферат: Проблемы управления термоядерным синтезом
Государственный Университет Управления
Институт Бизнеса в Строительстве и Управления Проектом
Специальность: Менеджмент организации
Реферат
по дисциплине: Концепции современного естествознания
на тему
лПроблемы управления термоядерным синтезом
выполнено студентом: Лесиным И.Л.
студенческий билет № 844-04
группа № 6
дата выполнения: 28.11.2004
руководитель: Акимов М.Л.
Введение.................................2
1. Проблемы управления термоядерным синтезом (УТС)
2. Секретный физик Лаврентьев
3. Изотопы водорода
3.1 Тритий
3.2 Дейтерий
4. Принцип работы управляемого термоядерного синтеза (УТС)
4.1 Сверхбыстродействующие системы УТС с инерциальным удержанием
4.2 Трудности и перспективы
Дополнительная информация..........................21
Заключение..............................22
Список литературы..........................23
Проблема управляемого термоядерного синтеза - одна из важнейших задач,
стоящих перед человечеством.
Человеческая цивилизация не может существовать, а тем более развиваться без
энергии. Все хорошо понимают, что освоенные источники энергии, к сожалению,
могут скоро истощиться. По данным Мирового энергетического совета,
разведанных запасов углеводородного топлива на Земле осталось на 50-80 лет.
Сегодня основными источниками энергии служат нефть, газ и уголь.
По оценкам специалистов, запасы этих ископаемых на исходе. Почти не осталось
разведанных, годных к освоению месторождений нефти и уже наши внуки могут
столкнуться с очень серьезной проблемой нехватки энергии.
Наиболее обеспеченные топливом атомные электростанции могли бы, конечно, еще
не одну сотню лет снабжать человечество электроэнергией.
Однако эксплуатация атомных электростанций, работающих за счет деления ядер
урана, приводит к серьезным экологическим проблемам, огромное количество
радиоактивных отходов - "долгожителей", остающихся после их работы, и
опасность последствий в случае аварии изрядно ограничивают возможность
всеобщего перехода на атомную энергетику.
Единственный долгосрочный источник энергии - это ядерная энергия, которая
выделяется в процессе деления или синтеза.
Процесс термоядерного синтеза в значительной степени свободен от недостатков,
присущих процессу деления. В реакции синтеза не образуется долгоживущих
радиоактивных изотопов, топливом для нее служат тяжелые изотопы водорода -
дейтерий и тритий. В литре обычной воды содержится примерно 0,03 г дейтерия,
но в процессе его реакции выделяется столько же энергии, сколько при сгорании
300 литров бензина! Запасов дейтерия на Земле хватит, чтобы обеспечивать
человечество энергией около миллиарда лет. Немаловажно, что производство
термоядерного топлива уже сегодня очень недорого: в нынешних условиях цена
составила бы 1-2 копейки за киловатт электроэнергии и будет снижаться в
дальнейшем.
Суммируя сказанное, можно сделать вывод: кто получит управляемую реакцию
синтеза, тот практически полностью обеспечит себя энергией. И можно смело
утверждать, что решение этой проблемы окупит все затраты.
Поэтому поиски альтернативных источников энергии идут особенно интенсивно.
Продолжающиеся уже 50 лет исследования в области управляемого термоядерного
синтеза, судя по всему, перешли в стадию технически реализуемых изделий. Если
верить мировым научным авторитетам, таким как академик Сагдеев
Роальд Зиннурович, в ближайшие 50 лет на Земле должны появиться первые
термоядерные электростанции, которые решат проблему безопасного и практически
неисчерпаемого источника энергии.
| Проблемы управления термоядерным синтезом (УТС) |
Исследователи всех развитых стран связывают надежды на преодоление грядущего
энергетического кризиса с управляемой термоядерной реакцией. Такая реакция -
синтез гелия из дейтерия и трития - миллионы лет протекает на Солнце, а в
земных условиях ее вот уже пятьдесят лет пытаются осуществить в гигантских и
очень дорогих лазерных установках, токамаках и стеллараторах. Однако есть и
другие пути решения этой непростой задачи, и вместо огромных токамаков для
осуществления термоядерного синтеза можно будет, вероятно, использовать
довольно компактный и недорогой коллайдер - ускоритель на встречных пучках.
Для работы Токамака 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 мировых
запасов дейтерия и лития хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в
течение многих миллионов лет.
Кроме слияния дейтерия и лития возможен чисто солнечный термояд, когда
соединяются два атома дейтерия. В случае освоения этой реакции энергетические
проблемы будут решены сразу и навсегда.
В любом из известных вариантов управляемого термоядерного синтеза
термоядерные реакции не могут войти в режим неконтролируемого нарастания
мощности, следовательно, таким реакторам не присуща внутренняя безопасность.
Отличительной особенностью термояда является почти полная радиационная
безопасность. 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. Это обстоятельство во многом является решающим
фактором, вызывающим пристальное внимание правительств ведущих стран к
термоядерной энергетике при тесном международном сотрудничестве в этой
области. Создана специальная международная программа, призванная в ближайшем
будущем избавить человечество от надвигающегося энергетического кризиса.
До начала 1990-х годов, ни о каком сотрудничестве в области термояда речи не
было. Все усилия двух супердержав были направлены на создание все более
мощного термоядерного оружия, а проблемы энергетики рассматривались как
"побочный продукт". Тем не менее, в 1954 г. в СССР под руководством
Леонтовича в Институте атомной энергии удалось построить первый Токамак.
Нарастание мощности термоядерных реакций в середине 1960-х годов позволило
серьезно "подтолкнуть" проблему управляемого термоядерного синтеза.
Чернобыльская трагедия, многочисленные аварии на ядерных реакторах военного
назначения, как в России, так и США, а, главное, изменение коренным образом
общеполитической ситуации в мире привели к тому, что в 1998 г. при участии
России, США, стран Европы и Японии был закончен инженерный проект Токамак-
реактора "ИТЕР", рассчитанного на долговременное термоядерное горение смеси
дейтерия с литием. Программа "ИТЕР" стоимостью 5 млрд. долл. предусматривает
строительство в 2010-2015 гг. экспериментального Токамака мощностью 1 ГВТ, а
в 2030-2035 годы планируется закончить строительство первого в мире
демонстрационного термоядерного реактора, способного производить
электричество, избавив нас, таким образом, от проблемы "снабжения".
С физической точки зрения задача формулируется несложно. Для осуществления
самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза необходимо и достаточно
соблюсти два условия.
1. Энергия участвующих в реакции ядер должна составлять не менее 10 кэВ.
Чтобы пошел ядерный синтез, участвующие в реакции ядра должны попасть в поле
ядерных сил, радиус действия которых 10-12-10-13 с.см. Однако атомные ядра
обладают положительным электрическим зарядом, а одноименные заряды
отталкиваются. На рубеже действия ядерных сил энергия кулоновского
отталкивания составляет величину порядка 10 кэВ. Чтобы преодолеть этот
барьер, ядра при столкновении должны иметь кинетическую энергию, по крайней
мере не меньше данной величины.
2. Произведение концентрации реагирующих ядер на время удержания, в течение
которого они сохраняют указанную энергию, должно быть не менее 1014 с.см-3.
Это условие - так называемый критерий Лоусона - определяет предел
энергетической выгодности реакции. Чтобы энергия, выделившаяся в реакции
синтеза, хотя бы покрывала расходы энергии на инициирование реакции, атомные
ядра должны претерпеть много столкновений. В каждом столкновении, при котором
происходит реакция синтеза между дейтерием (D) и тритием (Т), выделяется 17,6
МэВ энергии, т. е. примерно 3.10-12 Дж. Если, например, на поджиг
затрачивается энергия 10 МДж, то реакция будет неубыточной, если в ней примут
участие не менее 3.1018 пар D-T. А для этого довольно плотную плазму высокой
энергии нужно удерживать в реакторе достаточно долго. Такое условие и
выражается критерием Лоусона.
Если удастся одновременно выполнить оба требования, проблема управляемого
термоядерного синтеза будет решена.
Схематично термоядерный реактор можно представить в виде некоторого "черного
ящика", в который вводятся топливо (дейтерий и тритий) и энергия Е1 для его
нагрева. Выходят из "ящика" продукты реакции - a-частицы, нейтроны и
выделяющаяся при синтезе энергия Е2, которая должна быть больше затраченной
Е1.
Однако техническая реализация данной физической задачи сталкивается с
огромными трудностями. Ведь энергия 10 кэВ - это температура 100 миллионов
градусов. Вещество при такой температуре удержать в течение даже долей
секунды можно только в вакууме, изолировав его от стенок установки.
В настоящее время решение проблемы управляемого синтеза развивается по двум
главным направлениям: магнитное удержание плазмы (токамаки, стеллараторы и
пр.) и инерциальное удержание (лазерный синтез).
Лазерный синтез методом термоядерных микровзрывов, поджигаемых мощными
лазерными импульсами, в последнее время развивается наиболее интенсивно.
Здесь достигнуты большие успехи в технике сведения лучей, инжектировании
топливных капсул, диагностике плазмы и т. п. Дело за малым - требуется
лазерная система, обладающая необходимыми параметрами и с энергией импульса
1-10 МДж. А таковой в настоящее время не существует, и, следовательно, пока
нет никаких реальных оснований прогнозировать успех данных работ.
Магнитное удержание сводится к попытке получить квазистационарное горение
плазмы. Эти методы имеют уже почти полувековую историю. Путем многочисленных
экспериментальных исследований найдено, что оптимальными параметрами обладают
токамаки - установки, в которых рабочая камера имеет форму баранки. Именно на
токамаках удалось наиболее близко подойти к требуемым параметрам термоядерной
плазмы. Но здесь необходимо отметить небольшую особенность. Практически весь
успех обеспечивается за счет увеличения их размеров. Дело в том, что теория
токамаков гласит: время удержания плазмы прямо пропорционально напряженности
магнитного поля и квадрату размера установки. Поскольку предел напряженности
магнитного поля практически достигнут, остается единственный путь -
увеличение размеров. За время существования токамаков их диаметр вырос с 2 до
20 метров. Токамак со вспомогательным оборудованием - это целое предприятие
стоимостью сотни миллионов и даже миллиарды долларов. Строительство
очередного токамака занимает несколько лет, и после ряда экспериментов на нем
следует вывод: требуется установка еще больших размеров. В настоящее время
осуществляется международный проект лИТЕР стоимостью более 10 миллиардов
долларов. Однако есть сильные сомнения в том, что и это исполинское
сооружение сможет дать положительный выход энергии.
Очень важная особенность работ по управляемому термоядерному синтезу, ты, что
любой проект, независимо от предлагаемого способа удержания плазмы, сегодня
оценивается в миллиарды долларов. Установки небольших размеров и меньшей
стоимости уже давно себя исчерпали. Во всем мире над проблемой синтеза
работают почти 100 тысяч человек, поиском решения занимаются крупнейшие
ученые, опытные инженеры и конструкторы. Говорить о том, что в ходе решения
были допущены какие-то ошибки, нет абсолютно никаких оснований. И в
результате многолетних исследований вся эта армия ученых приходит к
однозначному выводу: решение проблемы управляемого синтеза возможно только
путем увеличения размеров установок при астрономических затратах на их
построение.
Можно привести весьма любопытный пример вполне реального проекта решения
задачи. Предлагается огромный, объемом несколько кубических километров,
стальной котел наполовину заполнить водой и греть ее взрывами термоядерных
зарядов. Не будем брать на себя смелость оценивать целесообразность и
экологические последствия реализации подобного проекта. Просто данный пример
достаточно наглядно показывает масштабы поисков альтернативных способов
использования термоядерной энергии.
В настоящее время взгляды на управляемый термоядерный синтез весьма
противоречивы. С одной стороны, он практически не имеет равнозначной
альтернативы, на решение проблемы уже затрачены огромные средства и отступать
нельзя. С другой - каждый новый шаг дается путем все больших и больших
затрат. Многим странам пришлось отказаться от продолжения исследований ввиду
их чрезвычайной дороговизны. Даже самые горячие оптимисты ожидают, что задача
может быть решена не раньше середины следующего столетия. Но к тому времени
на Земле будут сожжены почти все запасы нефти и газа и, следовательно,
человечество ожидает жесточайший сырьевой кризис. А если решение все же не
будет найдено?...
Но действительно ли перспективы столь мрачны и человечеству, чтобы избежать
их, необходимо идти на баснословные затраты. Может быть, есть более дешевое и
доступное решение?
Такой путь есть. И природа уже неоднократно его подсказывала. Еще на заре
термоядерных исследований был обнаружен так называемый "пинч-эффект" - сжатие
плазменного столба магнитным полем тока разряда. Эффект вызывал выброс
нейтронов, служащий признаком реакции синтеза. Было много восторгов,
ожидалось быстрое решение проблемы синтеза. Очень эмоционально этот момент
обыгран в известном фильме того времени "Девять дней одного года". Но
восторги быстро сменились разочарованием: выяснилось, что источником
нейтронного выброса была не реакция по всему объему столба плазмы, а
небольшие группы быстрых дейтронов (ядер дейтерия). При ускорении
электрическими полями, возникающими в плазме при сильных неустойчивостях,
дейтроны получали энергию, существенно превышавшую энергию остальных частиц
плазмы, и вступали в реакцию синтеза с выходом нейтронов. Такой "отрыв от
коллектива" физикам очень не понравился, полученные нейтроны были названы
"ложными", и от этого направления поисков отказались. Но ведь реакция синтеза
шла!
Еще пример из недавнего прошлого. Многим хорошо запомнилось сенсационное
сообщение о "холодном термояде". Однако достаточно быстро выяснилось, что
обнаруженный М. Флейшманом и С. Понсом и независимо от них С. Джоунсом эффект
очень слаб и не может быть использован для получения энергии. Наиболее
вероятное объяснение обнаруженного эффекта - так называемая "ускорительная
модель": реакция синтеза происходит в результате ускорения дейтронов сильным
электрическим полем, возникающим при растрескивании палладия. Опять
ускоренные дейтроны!
Первая реакция ядерного синтеза была проведена путем бомбардировки ядер азота
быстрыми a-частицами. Ядра же трансурановых элементов получали путем
бомбардировки ядер известных элементов ускоренными частицами.
Путь проведения ядерных реакций на ускорителях совершенно естественен и ни у
кого не вызывает сомнений. Уровень энергий ускоренных протонов измеряется уже
сотнями гигаэлектронвольт. Для такой техники реакция синтеза дейтерий -
тритий или дейтерий - дейтерий с энергией кулоновского барьера 10 кэВ никакой
сложности не представляет. Тем не менее возможность осуществления реакции
ядерного синтеза путем использования столкновений ускоренных ядер дейтерия и
трития до сих пор не исследовалась. И для этого есть весьма существенные
основания.
Дело в том, что главная цель термоядерных исследований - получение
интенсивной реакции с выделением большого количества энергии, а в ускорителях
ядерные реакции происходят практически поштучно. Здесь главное не количество
актов реакции, а сам факт ее прохождения. Малая интенсивность ядерных реакций
в ускорителях определяется тем, что количество частиц в ускоряемом пучке
сравнительно невелико и соответственно их концентрация мала. Конечно, прямое
использование современной ускорительной техники для решения проблемы
управляемого синтеза бессмысленно. Для нее задача повышения концентрации
частиц в пучке ставится, но не как основная; здесь главная задача - достичь
максимальной энергии частиц.
Попробуем попытаться сформулировать задачу несколько иначе? Разработать и
создать ускоритель на встречных пучках на энергию ускоряемых ионов дейтерия и
трития (дейтронов, тритонов) в несколько сот килоэлектронвольт, когда реакция
синтеза уже наверняка пойдет, и при плотности частиц в пучке 1014 см-3, когда
ее интенсивность будет достаточно велика для практического использования. При
современном развитии науки и техники такая задача может быть достаточно
быстро решена на ускорителе небольших размеров. Как показывают расчеты, для
получения требуемой плотности ионов величина тока в ускорителе должна
составлять несколько десятков ампер. Существующие сегодня сильноточные
ускорители ионов позволяют получать токи до 106 А при энергии ионов до 106
эВ. Остается задача удержания пучков с такими параметрами. Но и эта задача
имеет решение. В современных ускорителях на встречных пучках время удержания
измеряется часами! Можно также попытаться построить реактор, в котором
столкновения пучков будут носить импульсно-периодический характер. Само
столкновение пучков в этом случае будет иметь длительность порядка 10-7-10-8
секунды, и "удерживать" их потребуется только в течение этого времени.
Столкновения могут повторяться с частотой 107-108 Гц, что будет означать
практически непрерывное горение реакции.
Важнейшее отличие метода встречных пучков от магнитного удержания в том, что
размер ускорителя не играет принципиальной роли для достижения условий
синтеза. Минимальный размер экспериментальной установки будет определяться
только размерами источника ионов с требуемой энергией. А они невелики:
источник ионов на несколько сот килоэлектронвольт, применяемый в
промышленности (например, для ионной имплантации полупроводников), занимает
площадь не более 10 м2 и стоит несколько тысяч долларов. В "нулевом"
эксперименте по ядерному синтезу размеры коллайдера (объема, где сталкиваются
пучки) могут быть очень малы. Например, при его длине 2 см и диаметре 0,4 см
ожидается выделение 25 Вт тепла, то есть удельная мощность установки
оказывается 108 Вт/м3 (примерно как у двигателя внутреннего сгорания).
Достижение таких параметров и будет означать физическое решение проблемы
управляемого термоядерного синтеза. Получение требуемых мощностей - вопрос
уже чисто технический. Рабочий объем реактора, скажем, может содержать
необходимое количество коллайдеров -"термоядерных ТВЭЛов", тепловыделяющих
элементов.
Подобные предложения неоднократно высказывались в научной литературе, однако
до исследований, к сожалению, дело так и не дошло. Между тем они предполагают
простую экспериментальную проверку, причем на небольшом и недорогом
лабораторном стенде.
Многие физико-технические проблемы такого эксперимента уже решены. Оценки
показывают, что затраты на проведение работ будут в 10-20 тысяч раз меньше,
чем на любые другие исследования в этой области. А в случае удачи открывается
возможность несравненно более простого решения проблемы управляемого
термоядерного синтеза, чем это обещают все те направления, которые
разрабатываются в настоящее время.
| Кольцевой зал ускорителя У-70 (Протвино). Справа примыкает канал ввода ионов (в данном случае - протонов, ионов водорода H) первичного источника (синхротрона) в ускоритель. Ускоритель-коллайдер для термоядерного синтеза может иметь гораздо меньшие размеры. |
|
| Термоядерный синтез в луче лазера требует сооружения циклопических устройств. На снимке - одна из 192 линий исследовательской установки, построенной в Ливерморской национальной лаборатории (США). |
| Сверхсекретный физик Лаврентьев |
Идею термоядерного синтеза предложил сержант срочной службы, Олег
Александрович Лаврентьев.
В 1950 году Лаврентьев впервые в мире сформулировал задачу использования
управляемого термоядерного синтеза для мирной энергетики и разработал
конструкцию первого реактора. Тогда 24-летний Лаврентьев предложил и
оригинальную конструкцию водородной бомбы.
Родился Олег Лаврентьев в 1926 году в Пскове. Прочитав в 7-м классе книгу
"Введение в ядерную физику", он загорелся мечтой работать в области ядерной
энергетики. Но началась война, оккупация, а когда немцев прогнали, Олег пошел
добровольцем на фронт. Победу юноша встретил в Прибалтике, однако учебу опять
пришлось отложить - нужно было продолжить срочную службу на Сахалине, в
небольшом городке Поронайске.
Здесь он вернулся к ядерной физике. В части была библиотека с технической
литературой и вузовскими учебниками, да еще Олег на свое сержантское денежное
довольствие подписался на журнал "Успехи физических наук". Идея водородной
бомбы и управляемого термоядерного синтеза впервые зародилась у него в 1948
году, когда командование части, отличавшее способного сержанта, поручило ему
подготовить лекцию по атомной проблеме.
Имея несколько свободных дней на подготовку, Лаврентьев заново переосмыслил
весь накопленный материал и нашел решение вопросов, над которыми бился не
один год. Кому и как об этом сообщить? В только что освобожденном от японцев
Сахалине нет специалистов. Солдат пишет письмо в ЦК ВКП (б), и вскоре
командование части получает из Москвы предписание создать Лаврентьеву условия
для работы. Ему выделяют охраняемую комнату, где он пишет свои первые статьи.
В июле 1950 года он отсылает их секретной почтой в отдел тяжелого
машиностроения ЦК.
Сахалинская работа состояла из двух частей - военной и мирной.
В первой части Лаврентьев описал принцип действия водородной бомбы, где в
качестве горючего использовался твердый дейтерий лития. Во второй части он
предложил использовать управляемый термоядерный синтез для производства
электроэнергии. Цепная реакция синтеза легких элементов должна идти здесь не
по взрывному типу, как в бомбе, а медленно и регулируемо. Опередив и
отечественных, и зарубежных ядерщиков, Олег Лаврентьев решил главный вопрос -
как изолировать разогретую до сотен миллионов градусов плазму от стенок
реактора. Он предложил на тот момент революционное решение - в качестве
оболочки для плазмы использовать силовое поле, до этого в первом варианте он
предлагал использовать Ц электрическое поле.
Олег не знал, что его послание сразу же было направлено на рецензию тогда
кандидату наук, а впоследствии академику и трижды Герою Социалистического
Труда А.Д. Сахарову, который так отозвался об идее управляемого термоядерного
синтеза: "... Я считаю необходимым детальное обсуждение проекта тов.
Лаврентьева. Независимо от результатов обсуждения необходимо уже сейчас
отметить творческую инициативу автора".
В этом же 1950 году Лаврентьева демобилизуют. Он приезжает в Москву, успешно
сдает вступительные экзамены и поступает на физический факультет МГУ. Спустя
несколько месяцев его вызвал к себе министр измерительного приборостроения
В.А. Махнев - так в царстве секретности называлось тогда Министерство атомной
промышленности, соответственно, Институт атомной энергии назывался
Лабораторией измерительных приборов АН СССР, то есть ЛИПАНом. У министра
Лаврентьев впервые встретился с Сахаровым и узнал, что Андрей Дмитриевич
читал его сахалинскую работу, но поговорить им удалось только через несколько
дней, опять ночью. Это было в Кремле, в кабинете Лаврентия Берии, который был
тогда членом Политбюро, председателем спецкомитета, ведавшего в СССР
разработкой атомного и водородного оружия.
Тогда он услышал от Андрея Дмитриевича много теплых слов. Он заверил
Лаврентьева, что теперь все будет хорошо, и предложил работать вместе.
Лаврентьев согласился на предложение Андрея Дмитриевича.
Лаврентьев и не подозревал, что его идея управляемого термоядерного синтеза
(УТС) так понравилась А.Д. Сахарову, что он решил ее использовать и вместе с
И.Е. Таммом тоже начал работать над проблемой УТС. Правда, в их варианте
реактора плазму удерживало не электрическое, а магнитное поле. Впоследствии
это направление вылилось в реакторы под названием "токамак".
После встреч в "высоких кабинетах" жизнь Лаврентьева изменилась как в сказке.
Ему дали комнату в новом доме, дали повышенную стипендию, доставляли по
требованию необходимую научную литературу. Он взял разрешение на свободное
посещение занятий. К нему прикрепили преподавателя математики, тогда
кандидата наук, а впоследствии академика, Героя Социалистического Труда А.А.
Самарского.
В мае 1951 года Сталин подписал постановление Совета Министров, положившее
начало Государственной программе термоядерных исследований. Олег получил
допуск в ЛИПАН, где приобретал опыт работы в области нарождающейся физики
высокотемпературной плазмы и одновременно постигал правила работы под грифом
"Сов. секретно". В ЛИПАНе Лаврентьев впервые узнал об идеях Сахарова и Тамма
по термоядерному реактору.
Для Олега Александровича это было большой неожиданностью.
При встречах с Лаврентьевым Андрей Дмитриевич Сахаров ни одним словом не
обмолвливался о своих работах по магнитной термоизоляции плазмы. Андрей
Дмитриевич Сахаров и Тамма пришли к идее изоляции плазмы полем независимо
друг от друга, а Лаврентьев выбрал в качестве первого варианта магнитный
электростатический термоядерный реактор.
12 августа 1953 года в СССР успешно испытывается термоядерный заряд, в
котором используется дейтерий лития. Участники создания нового оружия
получают государственные награды, звания и премии, зато Лаврентьев по
совершенно непонятной для него причине в одночасье многое теряет. В ЛИПАНе
был снят допуск, и он лишился постоянного пропуска в лабораторию. Пришлось
пятикурснику писать дипломный проект без прохождения практики и без научного
руководителя на основе уже сделанных им теоретических работ по УТС. Несмотря
на это, он успешно защитился, получив диплом с отличием. Однако работать в
ЛИПАН, единственное месте в СССР, где тогда занимались управляемым
термоядерным синтезом, первооткрывателя этой идеи не взяли.
Весной 1956 года молодой специалист с необычной судьбой приехал в Харьков с
отчетом о теории электромагнитных ловушек, который он хотел показать
директору института К.Д. Синельникову. Но Харьков не Москва. Изобретателя УТС
вновь поселили в общежитие, в комнату, где проживало одиннадцать человек.
Постепенно у Олега появились друзья и единомышленники, и в 1958 году в ХФТИ
была сооружена первая электромагнитная ловушка.
В конце 1973 года Лаврентьев написал в Госкомитет по изобретениям и открытиям
заявку на открытие "Термоизоляционный эффект силового поляФ. Госкомитет
потребовал первую сахалинскую работу по термоядерному синтезу, поиски которой
заняли длительное время у Лаврентьева. На запрос Лаврентьеву тогда ответили,
что секретные архивы пятидесятых годов уничтожены, и посоветовали обратиться
за подтверждением существования этой работы к ее первому рецензенту. Андрей
Дмитриевич Сахаров прислал справку, которая подтверждала существование работы
Лаврентьева и ее содержание. Но Госкомитету нужно было то самое рукописное
сахалинское письмо, которое кануло в Лету.
Но вот наконец в 2001 году в августовском номере журнала "Успехи физических
наук" появляется цикл статей "К истории исследований по управляемому
термоядерному синтезу". Здесь впервые подробно рассказано о деле Лаврентьева,
помещена его фотография из личного дела полувековой давности и, самое
главное, впервые представлены найденные в Архиве Президента Российской
Федерации документы, которые хранились в особой папке под грифом "Сов.
секретно". В том числе и предложение Лаврентьева, отправленное с Сахалина 29
июля 1950 года, и августовский отзыв Сахарова на эту работу, и поручения Л.П.
Берии... Эти рукописи никто не уничтожал. Научный приоритет восстановлен, имя
Лаврентьева заняло свое настоящее место в истории физики.
Ученый совет ХФТИ после публикации в журнале "Успехи физических наук"
единогласно принял решение ходатайствовать перед ВАК Украины о присуждении
Лаврентьеву докторской степени по совокупности опубликованных научных работ -
их у него свыше ста. Украинский ВАК отказал.
Тритий
Тритий (лат. Tritium), Т (или 3H), радиоактивный изотоп водорода с массовым
числом 3 (отсюда название: от греч. trítos Ч третий). Открыт в 1934
английским учёными Э. Резерфордом, М. Л. Олифантом и П. Хартеком. Ядро Т.
состоит из одного протона и двух нейтронов. Т. b-активен; период полураспада
T1/2 = 12,26 года. В природе образуется в незначительных количествах под
действием нейтронов космических лучей на атомы азота
и при ядерных превращениях под действием космических частиц высоких энергий.
Среднее содержание Т. в природных водах 1 атом на 1018 атомов 1H. Получают Т. в
ядерных реакторах, облучая нейтронами
. Т. применяется как важнейший компонент в реакциях термоядерного синтеза, как
горючее в термоядерных бомбах, а также в химических, биологических и
гидрологических исследованиях.
Дейтерий
Дейтерий (лат. Deuterium, от греч. déuteros Ч второй), D, 2Н, тяжёлый
водород, стабильный изотоп водорода с массовым числом 2. Ядро атома Д. Ч
дейтрон. Большое различие в массах D и 1Н обусловливает существенную разницу в
их свойствах (например, tkип обычного водорода 20,39 К, tkип Д. 23,57 К;
скорости некоторых химических реакций различаются для веществ, содержащих D и
1Н, в 5Ч10 раз). В промышленности Д. выделяют, используя изотопный обмен между
водой и сероводородом (Д. неравномерно распределяется между ними,
концентрируясь в H2O), ректификацию жидкого водорода и многоступенчатый
электролиз воды. Д. используется во взрывчатой системе для водородной бомбы, в
будущем он может стать термоядерным горючим в энергетике. В научных
исследованиях Д. применяется как изотопный индикатор. Тяжёлая вода D2O служит
замедлителем нейтронов в атомных реакторах. Д. был открыт спектрально в 1932
американским учёным Г. Юри с сотрудниками.
| Принцип работы управляемого термоядерного синтеза (УТС) |
Управляемый термоядерный синтез, процесс слияния лёгких атомных ядер,
происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых,
управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за
кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер. Поэтому процесс
синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами,
обладающими малым положительным зарядом и только при высоких температурах,
когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для
преодоления кулоновского потенциального барьера. В природных условиях
термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах
звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат тем постоянным
источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в
звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд
обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение
миллиардов лет. С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми
изотопами водорода (дейтерием 2H и тритием 3H) с образованием сильно
связанных ядер гелия:
Именно названные реакции представляют наибольший интерес для проблемы УТС В
особенности привлекательна вторая реакция, сопровождающаяся большим
энерговыделением и протекающая со значительной скоростью. Тритий радиоактивен
(период полураспада 12,5 лет) и не встречается в природе. Следовательно, для
обеспечения работы предполагаемого термоядерного реактора, использующего в
качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность
воспроизводства трития. С этой целью рабочая зона рассматриваемой системы
может быть окружена слоем лёгкого изотопа лития, в котором будет идти процесс
воспроизводства
6Li + n ? 3H + 4He.
Вероятность (эффективное поперечное сечение) термоядерных реакций быстро
возрастает с температурой, но даже в оптимальных условиях остаётся
несравненно меньше эффективного сечения столкновений атомных. По этой причине
реакции синтеза должны происходить в полностью ионизованной плазме, нагретой
до высокой температуры, где процессы ионизации и возбуждения атомов
отсутствуют и дейтон-дейтонные или дейтон-тритонные столкновения рано или
поздно завершаются ядерным синтезом.
Удельная мощность термоядерного реактора находится путём умножения числа
ядерных реакций, происходящих ежесекундно в единице объёма рабочей зоны
реактора, на энергию, выделяющуюся при каждом акте реакции.
Критерий Лоусона
Применение законов сохранения энергии и числа частиц позволяет выяснить
некоторые предъявляемые к реактору синтеза общие требования, не зависящие от
каких-либо особенностей технологического или конструктивного характера
рассматриваемой системы. На рис. 1 изображена принципиальная схема работы
реактора. Установка произвольной конструкции содержит чистую водородную
плазму с плотностью п при температуре Т. В реактор вводится топливо, например
равнокомпонентная смесь дейтерия и трития, уже нагретая до необходимой
температуры. Внутри реактора инжектируемые частицы время от времени
сталкиваются между собой и происходит их ядерное взаимодействие. Это полезный
процесс; одновременно, однако, из реактора уходит энергия за счёт
электромагнитного излучения плазмы и из рабочей зоны ускользает некоторая
доля "горячих" (обладающих высокой энергией) частиц, которые не успели
испытать ядерные взаимодействия. Пусть t - среднее время удержания частиц в
реакторе; смысл величины t таков: за время в 1 сек из 1 см3 плазмы в среднем
уходит n/t частиц каждого знака. В стационарном режиме в реактор надо
ежесекундно инжектировать такое же число частиц (в расчёте на единицу
объёма). Для покрытия энергетических потерь подводимое топливо должно
подаваться в зону реакции с энергией, превышающей энергию потока ускользающих
частиц. Эта дополнительная энергия должна компенсироваться за счёт энергии
синтеза, выделяющейся в зоне реакции, а также за счёт частичной рекуперации в
стенках и оболочке реактора электромагнитного излучения и корпускулярных
потоков. Примем для простоты, что коэффициент преобразования в электрическую
энергию продуктов ядерных реакций, электромагнитного излучения и частиц с
тепловой энергией одинаков и равен h. Величину (часто называют коэффициент
полезного действия (кпд). В условиях стационарной работы системы и при
нулевой полезной мощности уравнение баланса энергии в реакторе имеет вид:
h(Po + Pr + Pt) = Pr + Pt, (1)
где Po - мощность ядерного энерговыделения, Pr - мощность потока излучения и
Pt - энергетическая мощность потока ускользающих частиц. Когда левая часть
написанного равенства делается больше правой, реактор перестаёт расходовать
энергию и начинает работать как термоядерная электростанция. При написании
равенства (1) предполагается, что вся рекуперированная энергия без потерь
возвращается в реактор через инжектор вместе с потоком подводимого нагретого
топлива. Величины Ро, Pr и Pt известным образом зависят от температуры
плазмы, и из уравнения баланса легко вычисляется произведение
nt = f (T), (2)
где f (T) для заданного значения кпд h и выбранного сорта топлива есть вполне
определённая функция температуры. На рис. 2 приведены графики f (T) для двух
значений h и для обеих ядерных реакций. Если величины h, достигнутые в данной
установке, расположатся выше кривой f (T), это будет означать, что система
работает как генератор энергии. При h = 1/3 энергетически выгодная работа
реактора в оптимальном режиме (минимум на кривых рис. 2) отвечает условию
("критерии Лоусона"):
реакции (d, d): nt >1015см-3-сек;
Т ~ 109 К; (3)
реакции (d, t): nt > 0,5-1015см-3-сек,
Т ~ 2-108 К.
Т. о., даже в оптимальных условиях, для наиболее интересного случая -
реактора, работающего на равнокомпонентной смеси дейтерия и трития, и при
весьма оптимистических предположениях относительно величины (необходимо
достижение температур ~ 2-108 К. При этом для плазмы с плотностью ~ 1014см-
3должны быть обеспечены времена удержания порядка секунд. Конечно,
энергетически выгодная работа реактора может происходить и при более низких
температурах, но за это придется "расплачиваться" увеличенными значениями nt.
Итак, сооружение реактора предполагает: 1) получение плазмы, нагретой до
температур в сотни миллионов градусов; 2) сохранение плазменной конфигурации
в течение времени, необходимого для протекания ядерных реакций. Исследования
по УТС ведутся в двух направлениях - по разработке квазистационарных систем,
с одной стороны, и устройств, предельно быстродействующих, с другой.
УТС с магнитной термоизоляцией. Рассмотрим сначала первый вариант.
Энергетический выход на уровне 105 квт/м3достигается для (d, t) реакций при
плотности плазмы ~ 1015см-3 и температуре ~ 108K. Это означает, что размеры
реактора на 106-107 квт (таковы типичные мощности современных больших
электростанций) должны быть в пределах 10-100 м3, что вполне приемлемо.
Основной вопрос состоит в том, каким способом удерживать горячую плазму в
зоне реакции. Диффузионные потоки частиц и тепла при указанных значениях n и
Т оказываются гигантскими и любые материальные стенки непригодными.
Основополагающая идея, высказанная в 1950 в Советском Союзе и США, состоит в
использовании принципа магнитной термоизоляции плазмы. Заряженные частицы,
образующие плазму, находясь в магнитном поле, не могут свободно перемещаться
перпендикулярно к силовым линиям поля. В результате коэффициенты диффузии и
теплопроводности поперёк магнитного поля, в случае устойчивой плазмы, очень
быстро убывают с возрастанием напряжённости поля и, например, при полях ~105
гс уменьшаются на 14-15 порядков величины против своего "незамагниченного"
значения для плазмы с указанной выше плотностью и температурой. Т. о.,
применение достаточно сильного магнитного поля в принципе открывает дорогу
для проектирования реактора синтеза.
Исследования в области УТС с магнитной термоизоляцией делятся на три основных
направления: 1) открытые (или зеркальные) магнитные ловушки; 2) замкнутые
магнитные системы; 3) установки импульсного действия.
В открытых ловушках уход частиц из рабочей зоны поперёк силовых линий на
стенки установки затруднён; он происходит либо в ходе процесса
"замагниченной" диффузии (т. е. очень медленно), либо путём перезарядки на
молекулах остаточного газа. Уход плазмы вдоль силовых линий также замедлен
областями усиленного магнитного поля (т. н. "магнитными зеркалами" или
"пробками"), размещенными на открытых концах ловушки. Заполнение ловушек
плазмой обычно производится путём инжекции плазменных сгустков или отдельных
частиц, обладающих большой энергией. Дополнительный нагрев плазмы может быть
осуществлен с помощью адиабатического сжатия в нарастающем магнитном.
В системах замкнутого типа (токамак, стелларатор) уход частиц на стенки
тороидальной установки поперёк продольного магнитного поля также затруднён и
происходит за счёт замагниченной диффузии и перезарядки. Нагревание
плазменного шнура в токамаке на начальных стадиях процесса осуществляется
протекающим по нему кольцевым током. Однако по мере повышения температуры
джоулев нагрев становится всё менее эффективным, т.к. сопротивление плазмы
быстро падает с ростом температуры. Для нагревания плазмы свыше 107 К
применяются методы нагрева высокочастотным электромагнитным полем и ввод
энергии с помощью потоков быстрых нейтральных частиц.
В установках импульсного действия (Z-пинч и Q-пинч) нагревание плазмы и её
удержание осуществляются сильными кратковременными токами, протекающими через
плазму. При одновременном нарастании тока и магнитного давления плазма
отжимается от стенок сосуда, чем обеспечивается её термоизоляция. Повышение
температуры происходит за счёт джоулева нагрева, адиабатического сжатия
плазменного шнура и, по-видимому, в результате турбулентных процессов при
развитии неустойчивости плазмы (подробнее см. Пинч-эффект).
Самостоятельное направление образуют исследования горячей плазмы в
высокочастотных (ВЧ) полях. Как показали опыты П. Л. Капицы, в водороде и
гелии при достаточно высоком давлении удаётся получить в ВЧ полях свободно
парящий плазменный шнур с электронной температурой ~105 К. Система допускает
замыкание шнура в кольцо и наложение дополнительного продольного магнитного
поля.
Успешная работа любой из перечисленных установок возможна только при условии,
что исходная плазменная структура оказывается макроскопически устойчивой,
сохраняя заданную форму в течение всего времени, необходимого для протекания
реакции. Кроме того, в плазме должны быть подавлены микроскопические
неустойчивости, при возникновении и развитии которых распределение частиц по
энергиям перестаёт быть равновесным и потоки частиц и тепла поперек силовых
линий резко возрастают по сравнению с их теоретическими значениями. Именно в
направлении стабилизации плазменных конфигураций развивались основные
исследования магнитных систем начиная с 1950, и эта работа всё ещё не может
считаться полностью завершенной.
Сверхбыстродействующие системы УТС с инерциальным удержанием.
Трудности, связанные с магнитным удержанием плазмы, можно в принципе обойти,
если сжигать ядерное горючее за чрезвычайно малые времена, когда нагретое
вещество не успевает разлететься из зоны реакции. Согласно критерию Лоусона,
полезная энергия при таком способе сжигания может быть получена лишь при
очень высокой плотности рабочего вещества. Чтобы избежать ситуации
термоядерного взрыва большой мощности, нужно использовать очень малые порции
горючего, исходное термоядерное топливо должно иметь вид небольших крупинок
(диаметром 1-2 мм), приготовленных из смеси дейтерия и трития, впрыскиваемых
в реактор перед каждым его рабочим тактом. Главная проблема здесь заключается
в подведении необходимой энергии для разогрева крупинки горючего. В настоящее
время (1976) решение этой проблемы возлагается на применение лазерных лучей
или интенсивных электронных пучков. Исследования в области УТС с применением
лазерного нагрева были начаты в 1964; использование электронных пучков
находится на более ранней стадии изучения - здесь выполнены пока сравнительно
немногочисленные эксперименты.
Оценки показывают, что выражение для энергии W, которую необходимо подводить
к установке для обеспечения работы реактора, имеет вид:
Дж
Здесь h - выражение общего вида для кпд устройства и a - коэффициент сжатия
мишени. Как показывает написанное равенство, даже при самых оптимистических
допущениях относительно возможного значения h величина W при a = 1 получается
несоразмерно большой. Поэтому только в сочетании с резким увеличением
плотности мишени (примерно в 104 раз) по сравнению с исходной плотностью
твёрдой (d, t) мишени можно подойти к приемлемым значениям W. Быстрое
нагревание мишени сопровождается испарением её поверхностных слоев и
реактивным сжатием внутренних зон. Если подводимая мощность определённым
образом программирована во времени, то, как показывают вычисления, можно
рассчитывать на достижение указанных коэффициентов сжатия. Другая возможность
состоит в программировании радиального распределения плотности мишени. В
обоих случаях необходимая энергия снижается до 106 Дж, что лежит в пределах
технической осуществимости, учитывая стремительный прогресс лазерных
устройств.
Трудности и перспективы.
Исследования в области УТС сталкиваются с большими трудностями как чисто
физического, так и технического характера. К первым относится уже упомянутая
проблема устойчивости горячей плазмы, помещенной в магнитную ловушку. Правда,
применение сильных магнитных полей специальной конфигурации подавляет потоки
частиц, покидающих зону реакции, и позволяет получить в ряде случаев
достаточно устойчивые плазменные образования. Электромагнитное излучение при
используемых значениях n и Т плазмы и возможных размерах реактора свободно
покидает плазму, но для чисто водородной плазмы эти энергетические потери
определяются только тормозным излучением электронов и в случаи (d, t) реакций
перекрываются ядерным энерговыделением уже при температурах выше 4-107 К.
Вторая фундаментальная трудность связана с проблемой примесей. Даже малая
добавка чужеродных атомов с большим Z, которые при рассматриваемых
температурах находятся в сильно ионизованном состоянии, приводит к резкому
увеличению интенсивности сплошного спектра, к появлению линейчатого спектра и
возрастанию энергетических потерь выше допустимого уровня. Требуются
чрезвычайные усилия (непрерывное совершенствование вакуумных установок,
использование тугоплавких и труднораспыляемых металлов в качестве материала
диафрагм, применение специальных устройств для улавливания чужеродных атомов
и т.д.), чтобы содержание примесей в плазме оставалось ниже допустимого
уровня. Точнее - "летальная" концентрация, исключающая возможность протекания
термоядерных реакций, например для примеси вольфрама или молибдена,
составляет десятые доли процента.
На рис. 3 на диаграмме (nt, Т) указаны параметры, достигнутые на различных
установках к середине 1976. Ближе всего к области, где оказывается
удовлетворённым критерий Лоусона и может протекать самоподдерживающаяся
термоядерная реакция, располагаются установки типа токамак и системы с
лазерным нагревом. Было бы, однако, ошибочным на основании имеющихся данных
делать категорические заключения о типе того устройства, которое будет
положено в основу термоядерного реактора будущего. Слишком быстрыми темпами
происходит развитие данной области технической физики, и многие оценки могут
измениться на протяжении ближайшего десятилетия.
Огромное значение, которое придаётся исследованиям в области УТС, объясняется
рядом причин. Нарастающее загрязнение окружающей среды настоятельно требует
перевода промышленного производства планеты на замкнутый цикл, когда
возникает минимум отходов. Но подобная реконструкция промышленности неизбежно
связана с резким возрастанием энергопотребления.
Между тем ресурсы минерального топлива ограничены и при сохранении
существующих темпов развития энергетики будут исчерпаны на протяжении
ближайших десятилетий (нефть, горючие газы) или столетий (уголь). Конечно,
наилучшим вариантом было бы использование солнечной энергии, но низкая
плотность мощности падающего излучения сильно затрудняет радикальное решение
этой проблемы.
Переход энергетики в глобальном масштабе на ядерные реакторы деления ставит
сложные проблемы захоронения огромных радиоактивных отходов (альтернатива:
выброс радиоактивных отходов в космос). По имеющимся оценкам, радиоактивная
опасность установок на УТС должна оказаться на три порядка величины ниже, чем
у реакторов деления. Если говорить о далёких прогнозах, то оптимум следует
искать в сочетании солнечной энергетики и УТС
| Дополнительная информация |
" УТС Ц Управляемый термоядерный синтез.
" Токамак Ц Тораидальная Камера с Магнитной Катушкой.
" ТВЭЛ - Тепловыделяющий элемент.
" Пинч-эффект Ц (от англ. pinch - сужение, сжатие), эффект самостягивания
разряда, свойство электрического токового канала в сжимаемой проводящей среде
уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током,
магнитного поля. Впервые это явление описано в 1934 американским учёным У.
Беннетом применительно к потокам быстрых заряженных частиц в газоразрядной
плазме. Термин "П.-э." введён в 1937 английским физиком Л. Тонксом при
исследовании дугового разряда.
" Стелларатор (от англ. stellar - звёздный), замкнутая магнитная ловушка
для удержания высокотемпературной плазмы. Предложена в 1951 Л. Спицером (США)
в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза. Магнитное поле в С.
создаётся с помощью внешних проводников; его силовые линии подвергаются т. н.
вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно
обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга
тороидальных магнитных поверхностей. Вращательное преобразование силовых
линий может быть осуществлено как путём геометрической деформации
тороидального соленоида (например, скручиванием его в "восьмёрку"), так и с
помощью винтовых проводников, навитых на тор.
" Эрнест Резерфорд
(30.8.1871, Брайтуотер, Новая Зеландия, - 19.10.1937, Кембридж).
Английский физик, заложивший основы учения о радиоактивности и строении
атома; он первый осуществил искусственное превращение элементов. Член
Лондонского королевского общества (1903). За научные заслуги получил титул
лорда Нельсона (1931 ).
" Сагдеев Роальд Зиннурович (р. 26.12.1932, Москва), советский физик,
академик АН СССР (1968; член-корреспондент 1964). Окончил МГУ (1955). В 1956-
61 работал в институте атомной энергии, в 1961-70 заведующий лабораторией
Института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР, в 1970-73 - Института
физики высоких температур АН СССР. С 1973 директор Института космических
исследований. Основные труды по физике плазмы. Исследовал колебания и
неустойчивости плазмы, открыл существование в ней так называемых
бесстолкновительных ударных волн. Развил теорию процессов переноса в
установках токамак. Награжден орденами Октябрьской Революции и Трудового
Красного Знамени.
В будущем термояд позволит преодолеть еще один "кризис человечества", а
именно, перенаселение Земли.
Не секрет, что развитие земной цивилизации предусматривает постоянный и
устойчивый рост населения планеты, поэтому вопрос освоения "новых
территорий", иными словами, колонизация соседних планет Солнечной системы для
создания постоянных поселений - вопрос уже совсем недалекого будущего.
Сегодня, как признаются ведущие специалисты в области космонавтики, в
частности, директор НАСА Шон О'Киф, современные ракетные двигатели уже
исчерпали свои возможности и могут использоваться, даже при условии
постоянной модификации, только для исследования околоземного пространства.
Межпланетное сообщение, строительство долговременных комплексов на "чужих"
орбитах возможно только при установке на космических объектах мощных и
экономичных двигательных установок, способных обеспечить длительных
пилотируемый полет, работу в космосе и безопасное возвращение на Землю.
Токамак и в космосе будет как раз на своем месте.
" Журнал лНаука и жизнь № 3, 1990 г
" Журнал лНаука и жизнь № 6, 1989 г.
" Журнал лНаука и жизнь № 11, 1999 г.
" Журнал лНаука и жизнь № 12, 1999 г.
" Д.А.Овсянников, директор НИИ ВмиПУ, журнал лВысокие технологии
" лУправляемый термоядерный синтез в установках с плотной
плазмой, Будкер Г.И., лПрирода, № 5, 1974 г., стр. 14 Ц 21
" Академик М.А. Леонтович изд. лНаука, 2003. Ц стр. 511
" Попов Ю.П. лВыход термоядерных нейтронов из плазмы, сжимаемой
оболочкой.
