Энергия будущего

Чем измерить степень этого приближения? Да и существует ли такой критерий, пользуясь которым можно было бы оценить, сколько еще осталось пройти до момента, когда будет продемонстрирована термоядерная реакция, дающая полезную энергию?

Конечно, в общем случае такого критерия, определяющего, насколько та или иная экспериментальная установка близка к промышленному реактору, в котором идет реакция синтеза, не существует, хотя критерий, носящий частный характер, есть. Он определяет, насколько параметры физических процессов, происходящих в установке, близки к тем, которых нужно достигнуть.

Вот как он формулируется: "Для того чтобы энергия, выделяемая в процессе термоядерной реакции, была больше, чем энергия, затраченная на инициирование этой реакции, необходимо, чтобы произведение плотности плазмы на время ее удержания было не меньшим, 1014".

Смысл его, как видите, достаточно ясен. Чем больше плотность плазмы, тем больше актов слияния ядер дейтерия и трития происходит в единице объема плазмы и тем больше выделяется энергии. Если плотность частиц в плазме очень большая, то выделяемая энергия с избытком покроет затраты на осуществление реакции даже в том случае, если утечка энергии из объема плазмы будет велика, то есть если время удержания плазмы малое.

Другой сомножитель характеризует степень совершенства методов и устройств, использованных для удержания энергии плазмы в объеме. Численно он равен времени, в течение которого вся энергия, запасенная в плазме (конечно, без учета энергии нейтронов), уйдет из ее объема. Если этот показатель велик и энергия из объема плазмы почти не теряется, то даже при малой величине энерговыделения, то есть малой плотности плазмы, этой энергии будет достаточно для поддержани необходимой температуры плазмы в 100-150 миллионов градусов. Очевидно, чтобы термоядерная установка служила для производства полезной энергии, в объеме ее плазмы должно "вырабатываться" энергии в 4-5 раз больше потерь и затрат. В этом случае критерий Лоусона должен быть равен, скажем, 5*10^14. Так чего же достигли термоядерщики в своих установках?

За годы, прошедшие с дней первых экспериментов, почти в каждой новой установке типа Токамак удавалось повысить температуру плазмы. Сейчас она уже около 60 миллионов градусов.

Каждая новая установка была и новым шагом в познании тайн плазмы, и шагом по пути достижения критерия Лоусона. Сначала 10^10, затем рост в 10 раз, затем еще в 10, и вот уже получена величина 2*10^13.

Ученые все ближе и ближе подбираются к желанной цели, к величине 10^14, хотя каждый последующий шаг становится все труднее и труднее.

Когда же придет победа?

Директор отделения физики плазмы академик Б. Кадомцев считает, что в начале 80-х годов на установках типа Токамак будет достигнута минимально необходимая величина критерия Лоусона и мы получим плазму с необходимыми параметрами. К этому времени в Принстонском университете в США будет запущена система ТФТР - установка типа Токамак. В Японии надеются получить желаемое на "Джи-ти-60". В организации Евратом будет запущен Токамак "Джет".

Все эти установки похожи друг на друга и в то же время различны, и задачи на них будут выполняться разные. На японской, например, будут проводиться в основном физические исследования плазмы; у американцев главная цель - получить интенсивную термоядерную реакцию. "У нас в ИАЭ, говорит Б. Кадомцев, - плазма с необходимыми параметрами будет получена на следующей физической модели, Т-15".

Кстати, для нее будет использована система энергоснабжения от Т-10. Чтобы на установке Т-15 получить магнитные поля необходимой величины, будут использованы катушки со сверхпроводниками, охлаждаемыми жидким гелием. Такая система уже проверена в ИАЭ на модели Т-7 меньшего объема. Значит, следующий шаг ясен. Через несколько лет будет осуществлена физическая демонстрация управляемой термоядерной реакции.

Но это еще не все. Впереди основная цель - первый энергетический термоядерный реактор. Когда он будет создан?

Не будем спешить с ответом. Сначала посмотрим, как он может выглядеть.

UWMAK-II

К нынешним дням разработано несколько проектов реакторов, проектов, во многом основанных на еще не проверенных идеях. Им придумано даже специальное название: "концептуальные проекты". Действительно, пока еще невозможно с достаточной точностью определить, при каких условиях будет осуществлена даже их физическая демонстрация. Между тем для правильного выбора пути в дальнейших исследованиях, оценки проблем, которые возникнут впереди, и, конечно, экономики, необходимо понять, как будут выглядеть будущие станции. Именно поэтому такие проекты-схемы, во многом основанные на еще не проверенных идеях и предположениях, и получили название концептуальных.

Вот передо мной один из таких проектов: UWMAK-II. Выполнен он в отделении энергетики Висконсинского университета. Начальные буквы его названия из названия университета; МАК - это конец слова "Токамак", дань советскому проекту. Римская цифра "два" означает, что это вторая версия.

Перевернем несколько страниц этого солидного тома и ознакомимся с основными параметрами установки.

Сердце ее, электрической мощностью 1700 мВт, - камера-бублик, в которой находится плазма. Внешний диаметр камеры - 35 метров, высота - 12. Только при таких размерах получается необходимая мощность термоядерной реакции и существенно возрастает время удержания энергии.

При термоядерной реакции в плазме, состоящей из дейтерия и трития, развивается температура 100- 120 миллионов градусов и выделяется энергия термоядерного синтеза в виде кинетической энергии ядер гелия и нейтронов. В последних - основная ее часть. Чтобы удержать нейтроны, камера-бублик окружена бланкетом - слоями графита, бериллия, лигия. Пролетая через стенку камеры, нейтроны соударяются с ядрами вещества бланкета и отдают им свою энергию, которая переходит в тепловую форму. Гелий, циркулирующий между слоями бланкета, переносит тепло в парогенератор, затем энергия пара в турбогенераторе преобразуется в электроэнергию.

Перевернув еще несколько страниц проекта, увидим главу, посвященную режимам пуска и работы реактора.

При пуске в камеру вводят почти в равном соотношении дейтерий и тритий. Для их разогрева используется омический нагрев. При подаче напряжения во вторичную обмотку трансформатора в первичной, роль которой выполняет плазма бублика, возникает ток, разогревающий эту плазму. Хотя на этот способ разогрева возлагались большие надежды, необходимую температуру получить оказалось невозможно: выше 10-15 миллионов градусов она не поднималась. При дальнейшем разогреве омическое сопротивление плазмы падало настолько, что никакое увеличение тока не помогало: температура плазмы не увеличивалась.

Множество идей и исследований было посвящено проблеме догрева плазмы до термоядерной температуры. По-видимому, наиболее удобным и эффективным способом является впрыскивание в плазму потока ускоренных нейтральных атомов дейтерия. Именно на нем остановились проектанты UWMAK-II. Вот принцип его работы.

На ускорителе-инжекторе мощностью 100 тысяч киловатт ионы дейтерия разгоняются до энергии в 750 тысяч электронвольт, затем в специальном устройстве инжектора они нейтрализуются и в течение 10 секунд впрыскиваются в камеру-бублик. При этом плазма в бублике разогревается до 80 миллионов градусов. Дальнейший ее разогрев до 100-120 миллионов градусов идет за счет термоядерной реакции, и реактор развивает полную тепловую мощность 5 тысяч мВт. В таком режиме его работа продолжается около 90 минут, за которые выгорают атомы дейтерия и трития. Вследствие появившихся в камере атомов гелия, а также частично атомов других элементов, выбитых из стенок камеры, реакция затухает, реактор останавчивается, и начинается пятиминутный цикл перегрузки топлива и очистки камеры. В течение этих пяти минут парогенератор продолжает работать, а турбогенератор вырабатывать электроэнергию. Происходит это потому, что в течение 90 минут работы установки часть энергии не превращали в электричество, а накапливали в виде тепла в специальных натриевых аккумуляторах. В пятиминутный перерыв разогретый в аккумуляторах теплоноситель натрий отдает свою энергию паровому контуру.