Переход на термоядерную энергетику... Насколько это реалистично сегодня?
В самый разгар масштабного энергетического кризиса правительство Великобритании опубликовало доктрину по переходу на термоядерную энергетику в стране, а также по экспорту термоядерных технологий по всему миру в последующие десятилетия.
Опубликованная стратегия создания термоядерной энергетики в стране.
Доктрина призвана сделать Великобританию первой в мире страной, которая коммерциализирует термоядерную энергетику.
Термоядерная электростанция будут создана на основе следующего поколения ТОКАМАКов - сферического ТОКАМАКа STEP (Spherical Tokamak for Energy Production).
Разные программы исследования управляемого термоядерного синтеза.
Будущее наконец-то наступило?! Человечество будет обеспечено экологически чистым, бесконечным и мощным источником энергии?! Энергетический кризис будет полностью преодолён?!
Давайте-ка разберёмся.
Управляемый термоядерный синтез, как основу термоядерной энергетики, начали активно изучать ещё с 1960-х. Считалось, что термоядерная энергетика начнёт вытеснять ядерную уже с 1980-х годов, и к 2000 году все атомные реакторы будут замещены на термоядерные электростанции, а к 2010 году будут вытеснены нефть, уголь и газ.
Энергоэффективность термоядерного синтеза в 4 раза превышает ядерную энергетику. Так, при делении 1 кг ядерного топлива высвобождается 83,52 Тераджоуля энергии, а синтез 1 кг дейтерий-тритиевой смеси высвобождает 337,32 тераджоулей энергии.
Столь огромная энергия получается при слиянии атомов изотопа водорода друг с другом по схеме: D + T → 4He + n + энергия (17,6 MэВ).
Схема термоядерного синтеза дейтерий-тритиевой плазмы.
Для слияния изотопов водорода требуется нагреть газовую смесь свыше 100 миллионов градусов Цельсия. При этом электроны начинают отрываться от атомов, а сами атомы превращаются в ионы, вследствие чего вещество переходит в новое состояние, называемое «плазмой».
Дейтроны и Тритоны (ядра дейтерия и трития без электронов) приобретают огромную кинетическую энергию, позволяющую им при столкновении друг с другом преодолеть кулоновский барьер (силы отталкивания), и войти в зону сильного ядерного взаимодействия, которое уже притягивает протоны и нейтроны, склеивая их воедино. Таким образом формируется либо новый химический элемент, либо новый изотоп химического элемента.
При столкновении дейтрона и тритона кратковременно (7,6 × 10 в минус 22 степени секунды) формируется изотоп нового химического элемента – Гелий 5, ядро которого состоит из двух протонов и трёх нейтронов. Гелий 5 – нестабильный изотоп, поэтому он тут же распадается на стабильный Гелий 4 и один свободный нейтрон.
Энергия выделяется из-за того, что стабильный Гелий 4 имеет очень сильные ядерные связи, и энергия распада Гелия 5 преобразуется в кинетическую энергию, распределяемую между ядром Гелия 4 и испускаемым нейтроном, в пропорции 3,5 МэВ / 14,1МэВ, что в совокупности даёт энергетический выход в 17,6 Мегаэлектронвольт.
Дейтерий является стабильным изотопом водорода. Его очень много во вселенной. Например, на 3350 молекул воды приходится один атом дейтерия. Это следствие первичного нуклеосинтеза элементов (наследие, доставшееся нам от "Большого Взрыва"). Тритий - радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада чуть больше 12 лет. На Земле его практически не существует. Образуется он в ходе работы АЭС, а также может быть синтезирован из Лития, который содержится в аккумуляторах.
Один акт слияния дейтерии и трития на единицу атомной массы высвобождает в 10 000 000 раз больше энергии, чем при сжигании аналогичного по массе количества угля.
Количество дейтерия, содержащегося в 45 литрах воды и количество лития из аккумулятора от ноутбука при термоядерной реакции выделят энергии эквивалентно сжиганию 70 тонн угля.
Стабильный изотоп Литий 6 (тот самый, который содержится в наших аккумуляторах) будет находиться в составе стенок реактора. Таким образом тритий будет постоянно образовываться из лития в цепочке ядерных реакций, показанных на схеме. Трития будет образовываться больше, чем потребляет термоядерная установка, поэтому одна термоядерная электростанция (ТЯЭС) сможет обеспечивать ещё и другие ТЯЭС тритием.
То есть 1 грамм смеси изотопов водорода при слиянии выделяет столько же энергии, сколько образуется при сжигании 10 тонн угля.
Итак, вернёмся к основной теме.
Чтобы нагревать и удерживать плазму температурой в 100 миллионов градусов Цельсия, были разработаны специальные электромагнитные ловушки, где плазма сжимается и изолируется в электромагнитном поле специальной конфигурации. Сегодня наиболее проработанное решение сжатия и удержания плазмы реализуется в ТОКАМАКах - тороидальных установках для магнитного удержания плазмы.
Первый в мире ТОКАМАК "Т-1" был запущен в СССР в 1954 году. ТОКАМАК - это ни что иное как русская аббревиатура: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. Установки такого типа были предложены Игорем Таммом и Андреем Сахаровым, а затем разработаны Львом Арцимовичем. Однако саму концепцию удержания плазмы силами электрической природы предложил самоучка Олег Александрович Лаврентьев, закончивший всего 7 классов общеобразовательной школы.
Советская установка Т-3 открыла эпоху изучения термоядерного синтеза во всём мире. В 1968 году на ТОКАМАКе "Т-3" была достигнута температура в 11,6 миллиона градусов Цельсия. После этого учёные во всём мире признали конструкцию ТОКАМАКов наиболее перспективной для магнитного удержания плазмы.
Термоядерная электростанция на дейтерий-тритиевой смеси будет работать следующим образом:
- Тороидальная камера, где формируется электромагнитная ловушка для удержания плазмы, заполняется газом, состоящим из дейтерий-тритиевой смеси.
- Происходит первичный нагрев газа электрическим током внутри тороидальной камеры до 3 миллионов градусов Цельсия, после чего он переходит в состояние плазмы.
- Дальнейший нагрев плазмы происходит посредством энергетической накачки микроволнового излучения, в результате чего температура плазмы поднимается до десятков миллионов градусов Цельсия.
- Для запуска термоядерной реакции (слияния изотопов водорода) плазму облучают (инжектируют) заряженными или нейтральными частицами высокой энергии.
- Сталкиваясь, эти частицы передают свою энергию плазме, ещё больше нагревая её. После того, как температура достигает 150 миллионов градусов Цельсия, изотопы водорода приобретают такую кинетическую энергию, что начинают преодолевать кулоновский барьер.
- Зажигается термоядерная реакция.
Образующиеся ядра Гелия 4 только добавляют энергии плазме. При достижении определённого количества актов синтеза в секунду в определённом объёме плазма больше не остывает, а самостоятельно нагревается без внешних затрат энергии.
Принципиальная схема съёма энергии с термоядерного реактора. На сегодня это самая проработанная схема.
То есть в этом случае энергия, выделяемая при термоядерном синтезе, превышает энергию, вводимую в систему для поддержания температуры плазмы. Энергия требуются только на поддержание электромагнитной ловушки и самой работы ТОКАМАКа (либо другого термоядерного реактора).
Важно учесть, что для достижения самоподдерживающейся термоядерной реакции нужно преодолеть критерий Лоусона.
Для слияния дейтерия и трития количество актов синтеза должно быть не меньше, чем 2 * 10 в 20 степени раз в секунду в 1 кубометре объёма.
Для этого нужно сжать плазму, нагретую до 100-150 миллионов градусов Цельсия, а с этим в мире на данный момент очень большие проблемы. Настолько большие, что ещё никому не удалось достигнуть критерия Лоусона.
Это настолько сложная задача, что для её реализации во Франции сегодня усилиями 35 стран строится самая сложная за всю историю человечества установка – Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER).
Криогенная система ITER (фигурка человека - для масштаба).
В 2020 году завершён первый этап строительства ITER. Начата сборка самого реактора. ITER будет готов к запуску в конце 2025 года.
- Большой адронный коллайдер - это игрушка для детей младшего дошкольного возраста, по сравнению со сложностью проекта «ИТЭР».
Однако получить энергию, превышающую затраченную, можно и при меньшей концентрации частиц, а значит достижение критерия Лоусона вовсе не требуется. Для этого нужно всего-то дольше удерживать и греть плазму. Вот только такая термоядерная реакция уже не будет самоподдерживающейся, хотя энергия, выделяемая плазмой в ходе слияния изотопов водорода, может быть больше, чем энергия, расходуемая на поддержание высокой температуры плазмы.
Термоядерная реакция всё равно будет идти при достижении 100 миллионов градусов Цельсия, но добротность (качество) этой реакции оставляет желать лучшего.
Идеальной является самоподдерживающаяся термоядерная реакция, которая происходит в недрах звёзд.
В качестве альтернативы такая термоядерная реакция, дающая энергетический выход больше, чем затрачено на поддержание температуры плазмы (но без самовоспламенения), нам вполне подходит.
В ядерной физике применяется такое понятие, как коэффициент усиления энергии термоядерного синтеза, обозначаемый буквой Q. Если значение этого коэффициента больше единицы, то это означает положительный (безубыточный) выход энергии.
Так вот, за последние 10 лет в ТОКАМАКАх удалось достигнуть значение Q, превышающее единицу.
JET (Joint European Torus) — европейский ТОКАМАК — крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор для удержания физической плазмы магнитным полем. Находится в Великобритании.
Японский ТОКАМАК "JT-60"
Китайский ТОКАМАК «EAST»
На самом простом топливе "дейтерий + дейтерий", энерговыход которого в 4,4-5,5 раза меньше, чем при синтезе типа "дейтерий + тритий", на установках JET, JT-60 и Китайском «EAST» были достигнуты значения Q, равные 1,25.
Это означает, что выход энергии в ходе термоядерного синтеза дейтерий+дейтерий превысил затраты на поддержание нагрева плазмы на 25%.
В ходе достижения больших значений Q главной задачей стало время удержания плазмы. На сегодня рекорд принадлежит китайскому ТОКАМАКу «EAST», с помощью которого в 2021 году удалось удерживать плазму с температурой в 120 миллионов градусов Цельсия на протяжении 101 секунды. Плазму, нагретую до 160 миллионов градусов Цельсия, удалось держать около 20 секунд.
Эти достижения очень важны для понимания процессов УТС и достижения больших значении Q.
Роль каждой из термоядерных установок неоценима для учёного сообщества. Например, американский ТОКАМАК «TFTR» смог достичь температуры плазы свыше 500 миллионов градусов Цельсия, на Японском «JT-60SA» была достигнута большая плотность плазмы, у китайцев в арсенале достижений - самое большое время удержания термоядерной плазмы, а английский «JET» - это самый большой действующий в мире ТОКАМАК, он единственный способен работать на дейтерий-тритиевой плазме. Коэффициент Q для Дейтерия и Трития, достигнутый на «JET», составляет 0,67. На сегодня это самый высокий показатель.
На 24 МВт энергии, затраченной на нагрев плазмы, выход при термоядерном синтезе составил 16 МВт. Правда после этого эксперимента стенки реактора облучились настолько сильно, что пришлось разрабатывать полностью роботизированную систему обслуживания реактора, поскольку человеку туда вход заказан.
ITER должен стать первым термоядерным реактором, который совместит в себе все параметры для достижения критерия Лоусона.
Согласно теории, критерий Лоусона достигается при Q = 5, именно тогда происходит самовоспламенение. ITER рассчитан на достижение значения Q=10, а после модернизации теоретический параметр Q поднимется до 30.
В декабре 2020 года в Курчатовском институте был запущен первый в мире гибридный термоядерный реактор Т-15МД. Гибридный ТОКАМАК может использоваться для выжигания радиоактивных отходов и производства ядерного топлива: уран-238 и другие компоненты отработанного ядерного топлива можно преобразовывать в другие изотопы, подходящие для работы АЭС. Из-за его конструкционных особенностей и в связи с добавлением в стенки реактора делящихся изотопов изначальный параметр Q у Т-15МД будет больше единицы, а в теории может достигать и 10 (после модернизации в 2024 году).
Однако коммерчески выгодный термоядерный реактор должен обладать минимальным значением Q не менее 15 единиц. Обуславливается это тем, что термоядерный реактор должен вырабатывать энергию и отдавать её в сеть, а не просто использовать её в режиме циркуляции для постоянного нагрева плазмы.
Например, ITER, Q которого будет равен 10, на 50 МВт мощности нагрева плазмы в ходе термоядерных реакций выделит 500 МВт мощности. Около 20% этой мощности приходится на саморазогрев плазмы, значит по итогу остаётся 400 МВт. Максимально возможное воздействие энергии плазмы со стенками реактора составляет 70%. Итого получаем уже 280 МВт. Эта энергия, которая доступна для отвода. Снять эту энергию всю невозможно - тепловой контур отведёт максимум 40%. С помощью простых расчётов получаем, что, затрачивая на разогрев плазмы 50 МВт, теоретический энерговыход будет равен 112 МВт. Это уровень так называемой инженерной безубыточности, когда реактор способен обеспечить собственные энергические затраты, но не способен выдавать нагрузку во внешнюю сеть потребителям.
Собственно, это в ITER даже и не предусмотрено. А если бы и было предусмотрено, то в сеть он бы выдавал всего 44,8 МВт электроэнергии, что делало бы его коммерчески убыточным.
Логика политики Великобритании понятна: они хотят построить коммерческую термоядерную электростанцию (ТЯЭС) к 2040 году потому, что надеются на успех в дальнейших термоядерных исследованиях.
Однако в термоядерной энергетике столько проблем, что я буду разбирать их ещё в нескольких статьях. Однако при этом следует понимать, что сам факт наличия термоядерной реакции синтеза уже давно доказан, а энерговыделение термоядерной реакции уже превышает энергетические потребности в поддержании температуры плазмы, пусть пока и в самой простой дейтерий-дейтериевой плазме.
Сделал таблицу эффективности термоядерных реакторов (гибридный реактор немного по-другому считается).
ITER, без сомнения, станет первым термоядерным реактором, где будет достигнут безубыточный термоядерный синтез дейтерий-тритиевой плазмы. А вот сможем ли мы управлять ею и получать энергию - покажут только эксперименты и время.
Продолжение следует...
Постскриптум.
До внедрения термоядерной энергетики остаётся ещё как минимум 40-60 лет, это однозначно технология начала 22 века. Но инженеры Илона Маска замахнулись на технологию 23-24 века - двигатель и реакторы на антиматерии. Так, стартап «Hbar Technologies», занимающийся разработкой ракетного двигателя на антивеществе (да, я серьёзно, и это тоже не шутка), обратился за финансированием к Илону Маску. С тех пор компания не ведёт публичную деятельность.
Комментарий Илона Маска на тему создания двигателя на антиматерии.
А есть ли что-то круче двигателей на антиматерии? Да, есть. И это двигатель и реактор на энергии чёрной дыры (искусственно созданная сингулярность), которые тоже теоретические просчитывались. И о них тоже поговорим в следующих статьях.
Vkontakte
Twitter
Одноклассники
Предыдущий
0 комментариев