Почему создание термоядерных установок столь затянулось?: На пути к термоядерной энергетике Кристофер Ллуэллин-Смит (материалы к лекции, прочитанной 17 мая 2009 года в ФИАНе)

Почему создание термоядерных установок столь затянулось?

Почему же столь важные и ценные установки, преимущества которых обсуждаются почти полстолетия, еще не созданы? Существуют три основные причины (рассматриваемые ниже), первую из которых можно назвать внешней или общественной, а две остальные — внутренними, то есть обусловленными законами и условиями развития самой термоядерной энергетики.

1. Долгое время считалось, что проблема практического использования энергии термоядерного синтеза не требует срочных решений и действий, так как еще в 80-х годах прошлого столетия источники ископаемого топлива казались неистощимыми, а проблемы экологии и изменения климата не волновали общественность. В 1976 г. Консультативный комитет по термоядерной энергии в Министерстве энергетики США попытался оценить сроки осуществления Н.И.О.К.Р. и создания демонстрационной термоядерной энерго установки при разных вариантах финансирования исследований. При этом обнаружилось, что объемы годичного финансирования исследований в данном направлении совершенно недостаточны, и при сохранении существующего уровня ассигнований создание термоядерных установок никогда не завершится успехом, поскольку выделяемые средства не соответствуют даже минимальному, критическому уровню.

2. Более серьезное препятствие на пути развития исследований в данной области состоит в том, что термоядерную установку обсуждаемого типа нельзя создать и продемонстрировать в малых размерах. Из представленных далее объяснений станет ясно, что для термоядерного синтеза необходимо не только магнитное удержание плазмы, но и достаточный ее нагрев. Отношение затрачиваемой и получаемой энергии возрастает, по меньшей мере, пропорционально квадрату линейных размеров установки, вследствие чего научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на достаточно крупных станциях, типа упоминавшегося реактора . Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не было достаточной уверенности в успехе.

3. Развитие термоядерной энергетики носило очень сложный характер, однако (несмотря на недостаточное финансирование и трудности выбора центров для создания установок JET и ) в последние годы наблюдается явный прогресс, хотя действующая станция еще не создана.

Прогресс в термоядерной энергетике

Началом современной эпохи в изучении возможностей термоядерного синтеза следует считать 1969 год, когда на российской установке Токамак Т3 в плазме объемом около 1 м3 была достигнута температура 3 M°C. После этого ученые во всем мире признали конструкцию токамака наиболее перспективной для магнитного удержания плазмы. Уже через несколько лет было принято смелое решение о создании установки JET (Joint European Torus) со значительно большим объемом плазмы (~100 м3). Эта установка начала работать в 1983 г. и остается пока крупнейшим в мире токамаком, обеспечивающим нагрев плазмы до температуры 150 M°C.

Три главных параметра, определяющие скорость реакции синтеза:

  1. Температура плазмы T, которая, как указывалось выше, должна превышать 100 M°C.
  2. Давление плазмы P. Скорость реакции примерно пропорциональна P2.
  3. «Время удержания энергии» τE, определяемое отношением:

τE = (энергия в плазме) / (мощность, требуемая для поддержания плазмы горячей)

Величина τE определяет, насколько успешно магнитное поле изолирует плазму от окружения. Очевидно, что более высоким значениям τEсоответствует более высокая эффективность реактора и его способность производить энергию.

Оказывается, что выигрыш в энергии для данного реактора определяется «произведением слияния», то есть величиной P × τE. Если давление P измеряется в единицах атмосферы, а τE в секундах, то для термоядерной установки это произведение должно быть выше 10. На рис. 2 представлено последовательное «стремление к совершенству» в координатах E и T, демонстрирующее параметры, полученные на разных устройствах типа токамак за время их развития. Рисунок показывает, как постепенно параметры установок приближаются к значениям, требуемым для создания реально работающей термоядерной энерго установки.

Рис. 2. Параметры различных установок типа токамак, демонстрирующие постепенный рост их характеристик за десятки лет развития, начиная с низких температур и давлений (слева внизу). В настоящее время температура плазмы 100 M°C считается привычной, а энергетический выигрыш приближается к единице. Для практического использования эта величина должна быть выше 10, что и является основной целью конструкторов реактора .

Можно не сомневаться, что параметры создаваемого реактора позволят достигнуть требуемой области значений, указанной вверху справа на рис. 2. Все его линейные параметры превосходят установку JET вдвое, вследствие чего энергия плазмы (при прочих равных условиях) должна теоретически возрасти в восемь раз. При этом поверхность, через которую происходит утечка энергии, увеличивается только в четыре раза, вследствие можно ожидать возрастания тепловыделения в два раза, что должно автоматически увеличивать время удерживания примерно в четыре раза. В действительности дело может обстоять даже еще лучше, поскольку (из-за большей напряженности магнитных полей) в реакторе «магнитная бутылка» должна быть более «прочной», что позволит удерживать плазму при более высоких давлениях и еще больше повысить эффективность. 5

Кроме этого, необходимо подчеркнуть, что за последние два десятилетия наблюдался и значительный прогресс в теоретическом понимании поведения плазмы. В этой области необходимо отметить два результата, имеющих особую важность в рассматриваемых задачах:

1. Была обнаружена способность горячей плазмы (предсказанная ранее в лаборатории Culham, Великобритания) к самогенерации собственного тока, что получило название «зашнуровки» плазмы. Например, можно ожидать, что примерно 80% от тока величиной 15 MA, необходимого для удержания плазмы в реакторе , будет возникать на основе этого эффекта, в результате чего поддержание рабочего режима реактора потребует намного меньше энергии, а само управление его работой станет гораздо более простым.

2. В Институте физики плазмы в Гархинге (Garching, Германия) в экспериментах по термоядерному слиянию наблюдался режим «высокого удержания», позволяющий значительно повысить давление в системе (то есть увеличить эффективность работы установки) при некоторых значениях магнитного поля в установке.

С другой стороны, мы не должны, конечно, исключать возможность обнаружения каких-то негативных тенденций при развитии данного направления науки и связанных с ней технологий. Например, нет никаких гарантий, что при изучении плазмы в реакторе ITER мы не столкнемся с возникновением новых видов неустойчивости, несмотря на то, что пока все теоретические и модельные исследовании указывают на низкую вероятность таких эффектов. Выше упоминались штрокие перспективы, связанные с возможностью «зашнуровки», но может оказаться, что мы не сможем управлять такими токами. В этом случае нам придется управлять реактором в режиме длительных импульсов (например, около восьми часов), находя при этом способы сохранять тепло и поддерживать отдачу электрической энергии между импульсами. Возможно даже, что эти проблемы заставят нас вообще отказаться от использования установок типа токамак и вновь вернуться к идее стеллараторов (см. Примечание 4).

Вернутся к оглавлению

Еще записи на эту же тему:

Метки:


© 2008-2017 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.