Источник энергии завтрашнего дня: преимущества термоядерной энергетики

Источник энергии завтрашнего дня: преимущества термоядерной энергетики

Иван Погребняк

• Наука

• Цикл 1, 2010 г.

Абстрактный:

В поисках источников энергии обсуждение термоядерной энергии как варианта часто считалось нереалистичным, омраченным жизнеспособностью ядерного деления. Однако термоядерная энергия была бы идеальным ответом на нашу текущую потребность в экономичном и экологически чистом производстве энергии. В этой статье обсуждается механика ядерного синтеза и объясняется, что с точки зрения безопасности, доступности ресурсов, затрат и обращения с отходами термоядерная энергия может стать лучшим коммерческим вариантом в ближайшем будущем.

Статья:

Развитие цивилизации постоянно требует более эффективных источников энергии, источников, которые одновременно представляли бы минимальную угрозу для окружающей среды. Ядерные термоядерные электростанции, также называемые термоядерными реакторами, могут стать лучшим решением этой проблемы. Во-первых, они более эффективны и требуют лишь около одной миллионной массы топлива, необходимого для производства того же количества энергии, что и угольная электростанция. Во-вторых, их источники топлива практически не ограничены, поскольку они являются самыми распространенными элементами во Вселенной. И, в-третьих, они предлагают гораздо более безопасный способ производства электроэнергии.То есть внедряемые до сих пор технологии либо не самые безопасные для окружающей среды, либо не самые целесообразные. Термоядерные реакторы также имеют преимущества на всех трех этапах переработки: топливо, эксплуатация и отходы. Поиски альтернативных источников энергии никогда не прекращаются. Несмотря на то, что прогресс в области термоядерных исследований был скорее теоретическим, чем практическим, область исследований постоянно расширяется по мере открытия новых методов решения проблем. Однако это та область, в которой практика невозможна без теории. Более того, коммерческая реализация Fusion уже не за горами. В этой статье будет представлен обзор конкретных преимуществ термоядерных реакторов, а также будет объяснен их основной принцип функционирования, включая топливо, работу и отходы.

Теоретическая идея использования ядерного синтеза в качестве источника энергии состоит в том, что легкие атомные ядра объединяются с выделением энергии. Эта энергия возникает из-за разницы в массе исходного материала и продуктов реакции. Суммарная масса ядер реагентов несколько больше массы образовавшихся ядер. Эта избыточная масса преобразуется в энергию, количество которой можно описать знаменитым уравнением энергии покоя Эйнштейна E=mc2, являющимся следствием специальной теории относительности. По сути, это принцип, на котором основаны все ныне действующие атомные электростанции (на делении), только в них разность масс возникает при расщеплении тяжелых ядер. Как оказалось, разделительная линия между двумя процессами высвобождения энергии в железе-56 (56Fe): более легкие элементы, которые производят энергию путем слияния, и более тяжелые, которые делают это путем расщепления. Несмотря на то, что процессы схожи по своей природе, существует большая разница в условиях, необходимых для облегчения обеих реакций.

Как рассуждает в своей книге доктор ядерной физики Кеннет Фаулер, физика термоядерного синтеза такова, что при соединении мельчайших ядер выделяется наибольшее количество энергии1. Таким образом, наиболее очевидным топливом для термоядерной реакции является водород и его изотопы1. Изотопы – это элементы, в ядрах которых содержится одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Это свойство приводит к их идентичным химическим, но существенно различным ядерно-физическим свойствам. Существует три разных изотопа водорода: водород-1 (1Н), распространенный и, безусловно, самый распространенный, водород-2 (2Н), также называемый дейтерием (D), и водород-3 (3Н), также известный как Тритий (Т). Из всех комбинаций наиболее эффективным является процесс синтеза дейтерия (D) с тритием (T). Однако реакции дейтерия с самим собой, а также изотопов гелия с водородом также обладают определенным потенциалом1. Наиболее удачной и перспективной конструкцией термоядерного реактора, разработанной на сегодняшний день, является токамак (это русская аббревиатура, обозначающая тороидальную камеру с магнитными катушками)1,2,3. Он использует именно синтез дейтерия и трития и некоторые другие особенности, из-за которых он выбран в качестве примера для последующего обсуждения. На самом деле, теория ядерного синтеза была тщательно изучена и очень хорошо разработана практически, оставляя открытым только вопрос о практической реализации.

Одними из самых больших преимуществ термоядерных реакторов являются изобилие топлива и доступность. Дейтерий является стабильным изотопом и в природе встречается вместо водорода. Фактически, он составляет небольшую долю водорода в воде. Количественно она существует в огромных количествах и практически не ограничена, учитывая, сколько воды на планете Земля. Согласно статье «Международный термоядерный экспериментальный реактор», «Дейтерий действительно довольно распространен в природе. Около одной части на 5000 водорода в морской воде составляет дейтерий.Это составляет более 1015 тонн природного дейтерия. Один галлон морской воды производит столько же энергии, сколько 300 галлонов бензина»4. Тритий – второй компонент реакции, является нестабильным изотопом и по этой причине гораздо менее распространен, чем дейтерий, и довольно редко встречается в природе. Однако эту проблему можно решить с помощью конструкции реактора, в которой в ходе реакции образуется тритий, и такая конструкция существует. Ядерная реакция дейтерия с тритием дает нейтрон. Если реакционное пространство ограничено литиевой подушкой, нейтроны, образующиеся в первичной реакции, будут вступать во вторичную реакцию с литием, производя тритий1,2,4,5. Запасы лития также практически не ограничены, поскольку литий является третьим по распространенности элементом во Вселенной после водорода и гелия1.

Как сообщает Институт физики, «долгосрочная топливная безопасность синтеза, по-видимому, превышает безопасность энергии деления и, следовательно, намного превышает безопасность энергии на ископаемом топливе. Термоядерная станция будет использовать около 100 кг дейтерия и 3 тонны лития для производства того же количества энергии, что и угольная электростанция, использующая 3 миллиона тонн топлива2». Еще одним преимуществом термоядерного топлива является то, что его довольно легко извлечь из сырья. Дейтерий можно отделить от кислорода в воде электролизом1,2. Дело в том, что в составе воды дейтерий имеет гораздо большую плотность, чем в газообразном состоянии, отделенном от воды, что создает эффективный способ его хранения. Большая часть поставок трития будет производиться во время реакции, и поэтому не требуется никаких передовых методов хранения. Себестоимость реагентов также достаточно низка, и большая часть расходов должна быть связана со строительством термоядерных электростанций, а не с их эксплуатацией, что является противоположным для любого из существующих энергоснабжающих объектов2.Принимая во внимание все перечисленные факты, термоядерные электростанции имеют значительное преимущество перед любыми действующими в настоящее время типами электростанций.

Еще одним положительным аспектом топлива термоядерного реактора является то, что оно не вредно для окружающей среды, а риски безопасности, связанные с его хранением и обращением с ним, минимальны. Наиболее важный компонент реакции, дейтерий, является стабильным изотопом и поэтому не производит радиоактивности. Единственная угроза, которую он может представлять, — это воспламеняемость, потому что химически дейтерий реагирует так же, как водород. Но это свойство не представляет большой проблемы, поскольку уже разработаны разумные способы хранения водорода. Другим вариантом, как уже упоминалось, было бы хранение дейтерия в виде воды и отделение его от кислорода в месте проведения реакции1,2. Этот вариант потребует очень простых средств сдерживания для устранения риска воспламенения. В ходе реакции дейтерий будет использоваться только в небольших количествах в вакуумной камере, лишенной кислорода, что делает взрыв невозможным. Однако из-за малых размеров атомов дейтерия и трития некоторая минимальная утечка неизбежна. Если в случае с дейтерием это не проблема, то с тритием есть некоторые опасения. Тритий является радиоактивным изотопом и может повышать радиоактивный фон в месте утечки. Но при правильном хранении тритий сможет улетучиваться только с незаметной скоростью, не повышая радиоактивный фон выше нормы, не представляя опасности для работников электростанции. Кроме того, тритий необходимо хранить в минимальных количествах, чтобы снова запустить реакцию в случае прерывания работы. Большая часть трития будет производиться во время реакции внутри реактора из лития5.В крайнем случае, даже если весь содержащийся в нем тритий будет выброшен из хранилища в результате аварии, его концентрация в атмосфере должна давать меньше радиации, чем допустимый уровень, к моменту его распространения на ограждение завода3. Более того, тритий имеет очень короткий период полураспада, всего 12 лет, по сравнению с материалами, используемыми в ядерных реакторах, для которых период полураспада приближается к тысячам лет2. Это делает термоядерное топливо намного более безопасным, чем ядерное топливо или даже электростанции, работающие на ископаемом топливе.

Существует ряд условий, которые необходимо выполнить, чтобы облегчить реакцию синтеза. Ядрам реагентов необходимо иметь достаточную кинетическую энергию (или, грубо говоря, скорость), чтобы преодолеть электростатическую силу, заставляющую положительно заряженные ядра отталкиваться. Объединяющиеся ядра должны оказаться в непосредственной близости друг от друга, где сильное ядерное взаимодействие преодолеет электромагнитное взаимодействие. В макроскопических терминах это означает, что газ реагирующего материала должен быть нагрет до определенной температуры, прежде чем может произойти плавление. Эта температура составляет порядка 100 миллионов градусов Кельвина2,6. В таких условиях атомы изотопов гелия становятся полностью ионизированными, а состояние вещества (твердое, жидкое или газообразное), состоящее из отдельных ионизированных ядер и электронов, называется плазмой. Поскольку плазма способна проводить электричество, ее можно нагревать, индуцируя в ней электрический ток, а затем удерживать в магнитном поле. Это принцип работы токамака. В больших масштабах удержание плазмы и изоляция тепла (чтобы поддерживать температуру достаточно высокой в ​​течение длительного времени) — это проблемы, над которыми в настоящее время борются ученые и инженеры. Ряд условий, которые должны быть точно соблюдены для возникновения реакции, такие как температура и давление плазмы, подача топлива, реагенты и чистота плазмы, на самом деле делают термоядерные реакторы намного более безопасными, чем любой другой источник энергии.

В случае отказа реактора во время работы не должно быть большой угрозы ни для окружающей среды, ни, в большинстве случаев, для самой электростанции. Действующий термоядерный реактор намного безопаснее ядерного, потому что не требуется критического количества топлива. В каждый момент времени в зоне реакции находится лишь небольшое количество топлива, что делает плавление невозможным3. Несмотря на то, что плазма в работающем реакторе нагревается до огромной температуры, она не очень плотная и может легко охладиться до безопасных температур. Так, если магнитный механизм удержания выйдет из строя, плазма соприкоснется со стенками реактора и остынет, после чего реакция прекратится. Даже если плазма повредит реактор, повреждение должно быть нанесено только внутренней поверхности тороидальной камеры. Плазма ни в коем случае не должна проплавлять стенки реактора. Может потребоваться некоторая замена внутренних частей, но взрыв практически невозможен. Во-первых, поскольку реакция проводится в вакууме, водороду не с чем химически реагировать после остывания плазмы. Во-вторых, даже если в каком-то крайнем случае произойдет утечка воздуха в реакционную камеру, концентрация изотопа водорода там будет слишком мала для взрыва. Кроме того, когда плазма становится холоднее требуемой температуры, реакция просто прекращается, и, следовательно, неконтролируемая ядерная реакция невозможна, в отличие от случая отказа энергетической установки деления.

При отказе механизма подачи топлива просто прекращается и реакция. Нет опасности, если магнитное поле продолжает действовать при отсутствии топлива. Отключение подачи топлива также можно использовать как средство предотвращения несчастных случаев при подозрении на неисправность. Случай с утечкой топлива уже обсуждался и большой угрозы не представляет. В случае утечки газа, составляющего плазму, концентрация трития в нем должна быть минимальной и практически безопасной.Как поясняется в отчете Института физики, «термоядерные электростанции не дадут террористам возможности нанести широкомасштабный ущерб (не больше, чем обычная станция, работающая на ископаемом топливе) из-за внутренней безопасности технологии»2. Таким образом, риск отказа термоядерной электростанции меньше, чем для большинства современных источников энергии (т. е. электростанций, работающих на угле, природном газе, ядерном делении и т. д.).

Наконец, отходы термоядерных реакций либо намного безопаснее, чем продукты других видов электростанций, либо абсолютно безвредны. Обсуждаемая реакция дейтерия с тритием, как видно на рис. 2, дает обычный изотоп гелия и нейтрон. Это тот же изотоп гелия, который используется для наполнения воздушных шаров, он не радиоактивен и не может активировать оборудование. Однако нейтроны, хотя сами по себе не радиоактивны, способны активировать конструкцию реактора, особенно металлические части, когда попадают на них с большой скоростью. Этот эффект можно смягчить, используя менее реактивные материалы (было предложено углеродное волокно), которые будут производить отходы с коротким периодом полураспада. Напротив, даже обычные материалы, активированные нейтронами высокой энергии, имеют период полураспада всего около 30 лет или меньше, что намного меньше, чем период полураспада ядерных отходов, образующихся в результате деления. Таким образом, не потребуется никакого сложного хранилища. В конце концов, активированные части реактора придется заменить. Эту процедуру не нужно будет проводить часто, так как детали должны прослужить примерно 40-50 лет (срок службы обычной электростанции любого типа)1,3. К тому времени, когда потребуются запасные части, отходы в старых активированных частях уже должны разлагаться, и их можно безопасно утилизировать или переработать как металл3. Следовательно, термоядерная технология имеет прямое преимущество перед другими источниками энергии.

В нынешнем состоянии быстрого использования природных ресурсов и истощения легкодоступных существует высокий спрос на альтернативные источники энергии. Значение этого также возрастает в свете необходимости защиты экологии. Термоядерная энергия была бы лучшим ответом на проблему, так как топливо, которое она требует, практически не ограничено, а образующиеся отходы не окажут негативного воздействия на окружающую среду. Есть множество других преимуществ развития и перехода на термоядерный синтез как источник энергии, среди которых внутренняя безопасность работы станций, относительная простота получения ресурсов и обращения с отходами, минимальные затраты, связанные с эксплуатацией. Исследования в этой области быстро развиваются, и коммерческое использование термоядерной энергии не за горами.