Термоядерный синтез

КПД человеческого организма составляет примерно 0,2. Среднестатистический человеческий организм ежесуточно расходует на свою активную 16-ти часовую жизнедеятельность 4 кВт·ч, что примерно соответствует 3500 килокалориям, которые человек получает в виде пищи. В 1980 году на каждого землянина расходовалось около 3 тонн условного топлива. В 2040 – 2050 годах расходы топлива возрастут в среднем до 10 тонн на человека в год. При темпе роста 0,7% в год через 1000 лет энергия, потребляемая человечеством, сравнится с энергией, приносимой Солнцем. И это не предел, а лишь второй этап развития цивилизации. По мнению Н.Кардашёва, третий этап развития цивилизации наступит тогда, когда её энергопотребление сравнится с энергией Галактики.

Каким же путём добывать энергию, если уже сейчас тепловые электростанции опасны для человека? Они приводят к болезням сердца, хроническому бронхиту, раковым заболеваниям, ежегодно выбрасывается в атмосферу земли 130 млн тонн твёрдых веществ, 200 – двуокиси серы, 400 – окиси углерода, 60 – окислов азота, 80 млн тонн углеводородов.

В природе существует процесс термоядерного синтеза, протекающий в звёздном веществе. Но как создать на Земле плазму с температурой в сотни миллионов градусов? В 1949 году атомные теоретики А.Гамов и К.Кригфилд назвали эту задачу технически почти не осуществимой. Однако весной 1956 года академик И.В.Курчатов выступил в Харуэлльском атомном центре с лекцией о проводимых в Советском Союзе экспериментах по использованию термоядерных реакций для производства электроэнергии. Так родилась проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС).

Преимущества термоядерной энергетики:

1)  позволит решить проблему энергетического кризиса (запасов дейтерия в воде океанов хватит примерно на 300 миллионов лет);

2)  высокая экологическая чистота (исходные вещества – дейтерий и литий, а также отработанные продукты – инертный газ гелий, для окружающей среды опасности не представляют. Нейтроны, рождающиеся в процессе производства энергии, полностью используются внутри реактора);

3)  термоядерный реактор не производит веществ, которые могут быть использованы для производства атомного оружия;

4)  в термоядерном реакторе, даже очень большой мощности, запас энергии и рабочих веществ довольно мал. Поэтому опасность взрыва полностью исключена, а опасность радиоактивного заражения окружающей среды в случае аварии невелика.

Сейчас с уверенностью можно сказать, что решение проблемы УТС принципиально возможно.

Источником огромной энергии может служить реакция синтеза из более лёгких атомных ядер более тяжёлых. Эта энергия обусловлена существованием энергии связи протонов и нейтронов внутри ядра, возникающая за счёт действия ядерных сил.

Рассмотрим некоторые реакции ядерного синтеза:

                             ,
где  – дейтерий;  – тритий. Все реакции дают выигрыш в энергии, если учесть затраты энергии на преодоление кулоновского барьера (0,15 МэВ с участием только изотопов водорода, 0,3 МэВ с участием гелия, 0,5 МэВ с участием лития). Решающее значение при выборе реакции имеет возможность достижения условий, при которых выбранная реакция  идёт со скоростью, представляющей технический интерес.

Рассмотрим реакции, происходящие на Солнце. На Солнце исходным веществом служат протоны, а в результате образуются ядра гелия .

Водородный цикл состоит из четырёх реакций:

         0,4 МэВ (1,4·1010 лет – среднее время реакции)

                             1 МэВ (10-19 с)

                          5,5 МэВ (5,7 с)

                 12,85 МэВ (106 лет),
где  – дейтерий (дейтон);  – позитрон;  – нейтрино. Энергия -кванта поглощается Солнцем. Всего в таком цикле выделяется 26,7 МэВ энергии, из них примерно 0,5 МэВ уходит с нейтрино.

В углеродно-азотном цикле ядро углерода  служит как бы катализатором:

                     1,95 МэВ (1,3·107 лет)

                        1,57 МэВ (7 мин)

                      7,54 МэВ (2,7·106 лет)

                      7,35 МэВ (3,3·108 лет)

                          1,73 МэВ (82 с)

                    4,96 МэВ (1,1·105 лет).

В результате этого цикла реакций снова получается ядро , а из 4-х протонов образуется ядро гелия . При этом выделяется 25,03 МэВ энергии и 1,7 МэВ уносится с нейтрино. Среднее время реакции рассчитано для условий в недрах Солнца (температура около 15 млн градусов, плотность водорода 105 кг/м3). Выделение ядерной энергии на Солнце происходит довольно медленно – примерно 20 Вт/м3. В теле человека эта цифра составляет 2000 Вт/м3. Солнце такое горячее благодаря своим грандиозным размерам. Нам необходимо, чтобы скорость выделения энергии была бы существенно больше.

Рассмотрим, что происходит в водородной бомбе. В первую очередь здесь происходит реакция деления урана или плутония. В результате температура повышается до нескольких млн градусов. В состав водородной бомбы вводят изотопы водорода (дейтерий и тритий) и изотоп лития . При высокой температуре с этими ядрами происходят следующие реакции:

                          .

Высокая температура при взрыве атомной бомбы сохраняется только в течение нескольких миллионных долей секунды. Поэтому исходные вещества должны иметь максимальную плотность. Практически используются твёрдые соединения лития с дейтерием и тритием типа LiD и LiT. Скорость выделения энергии при этих условиях очень велика – порядка 1017 Дж за 10-5 с, или 1022 Вт. Для практического использования в качестве источника энергии она слишком велика.

Таким образом, скорость реакций в термоядерном реакторе должна быть существенно больше, чем на Солнце, и столь же существенно меньше, чем в водородной бомбе.

Основная идея использования реакции ядерного синтеза для получения энергии состоит в том, что нужно взять исходные вещества в виде достаточно горячей плазмы, тогда реакции ядерного синтеза будут происходить за счёт энергии теплового движения частиц. Такой способ осуществления реакций ядерного синтеза называют термоядерным синтезом.

Остановимся на реакции:

                          ,
где 3,5 МэВ достаётся ядру , а 14,1 МэВ приходится на долю нейтрона.

Если взять исходную смесь из n/2 атомов дейтерия и n/2 атомов трития на кубический метр, то после образования плазмы появится ещё n электронов, то есть в плазме будет 2n частиц на кубический метр. Эти частицы в кубическом метре будут иметь энергию . Потери энергии в непрерывно работающем реакторе характеризуются временем удержания энергии плазмы . Таким образом, каждую секунду плазма будет терять энергию . В стационарно работающем реакторе эти потери должны быть скомпенсированы. Допустим, это можно сделать с некоторым КПД . Таким образом, в плазму можно возвратить энергию , где  – энергия, выделяющаяся в термоядерной реакции в качестве энергии заряженных частиц;  – энергия, приходящаяся на долю нейтрона.

Составим баланс тепла для плазмы в реакторе с положительным выходом. Так как плотность ядер D и T в реакторе равна n/2, то в кубическом метре плазмы в секунду будет проходить  число термоядерных реакций ( – эффективное сечение реакции,  – скорость частицы). Тогда:

                   ,                          (1)
отсюда для успешной работы термоядерного реактора необходимо выполнить условие:

                           .                                  (2)
Для рассмотренной реакции  получается . Это условие называется критерием Лоусона. Для реакции  имеем  даже при , то есть гораздо более трудно выполнимое.

Логично выбирать разные варианты работы реактора, если только удастся решить главный вопрос – как или чем можно удерживать вещество при температуре в 100 млн градусов.