«Чистой» термоядерной энергетики не будет

Дмитрий Дьяконов
Дмит­рий Дья­ко­нов

На недав­нем сове­ща­нии в Саро­ве Пре­зи­дент Мед­ве­дев сфор­му­ли­ро­вал про­грам­му раз­ви­тия ядер­ной энер­ге­ти­ки в стране: в бли­жай­шее вре­мя – опти­ми­зи­ро­вать вод­но-водя­ной энер­ге­ти­че­ский реак­тор, в сред­не­сроч­ной пер­спек­ти­ве – сфор­ми­ро­вать энер­ге­ти­ку на осно­ве замкну­то­го цик­ла с реак­то­ра­ми на быст­рых ней­тро­нах, в дол­го­сроч­ной пер­спек­ти­ве – прак­ти­че­ское осво­е­ние управ­ля­е­мо­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за как осно­вы энер­ге­ти­ки буду­ще­го. Послед­ний пункт ком­мен­ти­ру­ет Дмит­рий Дья­ко­нов, док­тор физ.-мат. наук, заме­сти­тель руко­во­ди­те­ля отде­ле­ния Петер­бург­ско­го инсти­ту­та ядер­ной физи­ки РАН.

Извле­че­ние ядер­ной энер­гии осно­ва­но на том фун­да­мен­таль­ном фак­те, что ядра хими­че­ских эле­мен­тов из сере­ди­ны таб­ли­цы Мен­де­ле­е­ва упа­ко­ва­ны плот­но, а по кра­ям таб­ли­цы, т.е. самые лег­кие и самые тяже­лые ядра, – менее плот­но. Наи­бо­лее плот­но упа­ко­ва­ны ядра желе­за и его сосе­ди по пери­о­ди­че­ской систе­ме. Поэто­му мы выиг­ры­ва­ем энер­гию в двух слу­ча­ях: когда мы делим тяже­лые ядра на более мел­кие оскол­ки и когда мы скле­и­ва­ем лег­кие ядра в более круп­ные.

Соот­вет­ствен­но, энер­гию мож­но извле­кать дву­мя спо­со­ба­ми: в ядер­ных реак­ци­ях деле­ния тяже­лых эле­мен­тов – ура­на, плу­то­ния, тория – или в ядер­ных реак­ци­ях син­те­за (сли­па­ния) лег­ких эле­мен­тов – водо­ро­да, лития, берил­лия, и их изо­то­пов. В при­ро­де, в есте­ствен­ных усло­ви­ях, реа­ли­зу­ют­ся оба типа реак­ций. Реак­ции син­те­за идут во всех звез­дах, вклю­чая Cолн­це, и явля­ют­ся прак­ти­че­ски един­ствен­ным исход­ным источ­ни­ком энер­гии на Зем­ле – если не непо­сред­ствен­но через сол­неч­ный свет, то опо­сре­до­ван­но – через нефть, уголь, газ, воду и ветер. При­род­ная реак­ция деле­ния име­ла место на Зем­ле око­ло двух мил­ли­ар­дов лет назад на тер­ри­то­рии нынеш­не­го Габо­на в Афри­ке: там слу­чай­но ско­пи­лось мно­го ура­на в одном месте и в тече­ние 100 мил­ли­о­нов лет рабо­тал при­род­ный ядер­ный реак­тор! Потом кон­цен­тра­ция ура­на умень­ши­лась, и при­род­ный реак­тор заглох.

В сере­дине XX в. чело­ве­че­ство при­сту­пи­ло к искус­ствен­но­му осво­е­нию гигант­ской энер­гии, заклю­чен­ной в ядрах. Атом­ная бом­ба (ура­но­вая, плу­то­ни­е­вая) «рабо­та­ет» на реак­ции деле­ния, водо­род­ная бом­ба (кото­рая вовсе не из водо­ро­да, но назы­ва­ет­ся так) – на реак­ции син­те­за. В бом­бе реак­ции идут одно мгно­ве­ние и носят взрыв­ной харак­тер. Мож­но умень­шить интен­сив­ность ядер­ных реак­ций, рас­тя­нуть их во вре­ме­ни и исполь­зо­вать их разум­но в каче­стве управ­ля­е­мо­го источ­ни­ка энер­гии. В мире постро­е­ны мно­гие сот­ни ядер­ных реак­то­ров раз­но­го типа, где идут реак­ции деле­ния и «сжи­га­ют­ся» тяже­лые эле­мен­ты – уран, торий или плу­то­ний. Воз­ник­ла так­же зада­ча сде­лать управ­ля­е­мой реак­цию син­те­за, что­бы и она слу­жи­ла источ­ни­ком энер­гии.

На осу­ществ­ле­ние управ­ля­е­мой реак­ции деле­ния чело­ве­че­ству потре­бо­ва­лось лишь несколь­ко лет. Одна­ко управ­ля­е­мая реак­ция син­те­за ока­за­лась намно­го более труд­ной зада­чей, с кото­рой до кон­ца еще не спра­ви­лись. Дело в том, что для того, что­бы два лег­ких ядра, напри­мер дей­те­рия и три­тия, мог­ли слить­ся, им надо пре­одо­леть боль­шой потен­ци­аль­ный барьер. Наи­бо­лее пря­мо­ли­ней­ный спо­соб добить­ся это­го – разо­гнать два лег­ких ядра до высо­кой энер­гии, так, что­бы они сами про­ско­чи­ли барьер. Это под­ра­зу­ме­ва­ет, что смесь дей­те­рия и три­тия долж­на быть разо­гре­та до очень высо­кой тем­пе­ра­ту­ры – поряд­ка 100 млн гра­ду­сов! При такой тем­пе­ра­ту­ре смесь, разу­ме­ет­ся, иони­зо­ва­на, т.е. пред­став­ля­ет собой плаз­му. Плаз­му удер­жи­ва­ют в сосу­де в фор­ме буб­ли­ка, маг­нит­ным полем слож­ной кон­фи­гу­ра­ции и разо­гре­ва­ют. Эта уста­нов­ка, изоб­ре­те­ние И.Е.Тамма, А.Д.Сахарова, Л.А.Арцимовича и др., назы­ва­ет­ся «тока­мак». Глав­ная про­бле­ма здесь – добить­ся ста­биль­но­сти очень горя­чей плаз­мы, что­бы она не «выса­ди­лась на стен­ки» сосу­да. Это тре­бу­ет боль­ших раз­ме­ров уста­нов­ки и соот­вет­ствен­но очень силь­ных маг­нит­ных полей в боль­шом объ­е­ме. Прин­ци­пи­аль­ных труд­но­стей здесь почти нет, но есть мно­же­ство тех­ни­че­ских про­блем, кото­рые пока не реше­ны.

Проект международного термоядерного реактора ITER.
Про­ект меж­ду­на­род­но­го тер­мо­ядер­но­го реак­то­ра ITER.

Недав­но нача­ли стро­ить меж­ду­на­род­ную уста­нов­ку ИТЭР в рай­оне Экс-ан-Про­ван­са во Фран­ции. В про­ек­те актив­но участ­ву­ет и Рос­сия, вно­ся 111 финан­си­ро­ва­ния. К 2018 г. меж­ду­на­род­ный тока­мак дол­жен зара­бо­тать и про­де­мон­стри­ро­вать прин­ци­пи­аль­ную воз­мож­ность гене­ра­ции энер­гии за счет тер­мо­ядер­ной реак­ции син­те­за гелия из сме­си дей­те­рия и три­тия. Эта энер­гия в пере­сче­те на мас­су топ­ли­ва в десят­ки мил­ли­о­нов раз боль­ше той, кото­рая выде­ля­ет­ся при хими­че­ских реак­ци­ях, напри­мер при горе­нии орга­ни­че­ско­го топ­ли­ва.

Здесь «топ­ли­вом», как мы видим, слу­жит смесь дей­те­рия и три­тия. Дей­те­рий («тяже­лая вода») содер­жит­ся в виде малой при­ме­си в любой воде, и тех­ни­че­ски выде­лить его неслож­но. Запа­сы его, дей­стви­тель­но, не огра­ни­че­ны. Три­тий же в при­ро­де не встре­ча­ет­ся, так как он радио­ак­ти­вен и рас­па­да­ет­ся за 12 лет. Стан­дарт­ный спо­соб полу­че­ния три­тия – из лития, путем бом­бар­ди­ров­ки его ней­тро­на­ми. Пред­по­ла­га­ет­ся, что в ИТЭ­Ре будет нуж­на толь­ко малая «затрав­ка» три­тия для запус­ка реак­ции, а даль­ше он будет нара­ба­ты­вать­ся сам собой за счет бом­бар­ди­ров­ки ней­тро­на­ми, обра­зу­ю­щи­ми­ся в ходе реак­ции лити­е­во­го «блан­ке­та», т.е. «оде­я­ла», обо­лоч­ки тока-мака. Поэто­му фак­ти­че­ски топ­ли­вом слу­жит литий. В зем­ной коре его тоже мно­го, но нель­зя ска­зать, что лития неогра­ни­чен­ное коли­че­ство: если бы вся энер­гия в мире про­из­во­ди­лась таким спо­со­бом, раз­ве­дан­ных место­рож­де­ний необ­хо­ди­мо­го для это­го лития хва­ти­ло бы на 1000 лет. При­мер­но на столь­ко же лет хва­тит раз­ве­дан­но­го ура­на и тория, если про­из­во­дить энер­гию в обыч­ных ядер­ных кот­лах [1].

Так или ина­че, само­под­дер­жи­ва­ю­щу­ю­ся тер­мо­ядер­ную реак­цию «горе­ния» изо­то­пов водо­ро­да на совре­мен­ном уровне нау­ки и тех­ни­ки реа­ли­зо­вать, по-види­мо­му, мож­но, и есть надеж­да, что это будет успеш­но про­де­мон­стри­ро­ва­но лет через десять, на уста­нов­ке ИТЭР. Это очень инте­рес­ный про­ект и в науч­ном, и в тех­но­ло­ги­че­ском плане, и хоро­шо, что наша стра­на участ­ву­ет в нем. Тем более, что это тот не слиш­ком частый слу­чай, когда Рос­сия не толь­ко нахо­дит­ся на миро­вом уровне, но во мно­гом этот миро­вой уро­вень зада­ет.

Вопрос в дру­гом: может ли «тер­мо­яд» слу­жить осно­вой для про­мыш­лен­но­го полу­че­ния «чистой» и «неогра­ни­чен­ной» энер­гии, как утвер­жда­ют энту­зи­а­сты про­ек­та. Ответ, по-види­мо­му, отри­ца­тель­ный, и вот поче­му.

Дело в том, что ней­тро­ны, обра­зу­ю­щи­е­ся при син­те­зе, сами по себе гораз­до цен­нее, чем та энер­гия, кото­рая при этом выде­ля­ет­ся.

Дей­стви­тель­но, если обло­жить поверх­ность тока­ма­ка тол­стым «блан­ке­том» из само­го обык­но­вен­но­го при­род­но­го ура­на-238, то под дей­стви­ем быст­ро­го ней­тро­на из реак­ции син­те­за ядро ура­на рас­щеп­ля­ет­ся с выде­ле­ни­ем допол­ни­тель­ной энер­гии око­ло 200 МэВ. Обра­тим вни­ма­ние на чис­ла:

– реак­ция син­те­за (1) дает энер­гию 17,6 МэВ в тока­ма­ке плюс ней­трон;

– после­ду­ю­щая реак­ция деле­ния в ура­но­вом блан­ке­те дает око­ло 200 МэВ.

Таким обра­зом, если уж мы постро­и­ли слож­ную тер­мо­ядер­ную уста­нов­ку, то срав­ни­тель­но про­стая добав­ка к нему в виде ура­но­во­го блан­ке­та поз­во­ля­ет уве­ли­чить про­из­вод­ство энер­гии в 12 раз!

При­ме­ча­тель­но, что уран-238 в блан­ке­те не обя­зан быть очень чистым или обо­га­щен­ным; наобо­рот, годит­ся и обед­нен­ный уран, кото­ро­го оста­ет­ся мно­го в отва­лах после обо­га­ще­ния, и даже отра­бо­тан­ное ядер­ное топ­ли­во из обыч­ных теп­ло­вых атом­ных стан­ций. Вме­сто того, что­бы хоро­нить отра­бо­тан­ное топ­ли­во, мож­но с боль­шой поль­зой упо­тре­бить его в ура­но­вом блан­ке­те.

На самом деле, эффек­тив­ность уве­ли­чи­ва­ет­ся еще боль­ше, если учесть, что быст­рый ней­трон, попа­дая в ура­но­вый блан­кет, вызы­ва­ет мно­го раз­но­об­раз­ных реак­ций, в резуль­та­те кото­рых поми­мо выде­ле­ния 200 МэВ энер­гии обра­зу­ет­ся еще несколь­ко ядер плу­то­ния. Таким обра­зом, ура­но­вый блан­кет слу­жит еще и мощ­ным про­из­во­ди­те­лем ново­го ядер­но­го топ­ли­ва. Плу­то­ний мож­но потом «сжечь» на обыч­ной теп­ло­вой атом­ной стан­ции с эффек­тив­ным выде­ле­ни­ем еще при­мер­но 340 МэВ на каж­дое ядро плу­то­ния.

Даже с уче­том того, что один из допол­ни­тель­ных ней­тро­нов надо исполь­зо­вать на вос­про­из­вод­ство топ­лив­но­го три­тия, добав­ле­ние к тока­ма­ку ура­но­во­го блан­ке­та и несколь­ких обыч­ных атом­ных стан­ций, кото­рые «пита­ют­ся» плу­то­ни­ем из это­го блан­ке­та, поз­во­ля­ет уве­ли­чить энер­го­эф­фек­тив­ность тока­ма­ка по мень­шей мере раз в два­дцать пять [2], а по неко­то­рым оцен­кам – в пять­де­сят раз! Это все – срав­ни­тель­но про­стая и отра­бо­тан­ная тех­но­ло­гия. Ясно, что ни один здра­во­мыс­ля­щий чело­век, ни одно пра­ви­тель­ство, ни одна ком­мер­че­ская орга­ни­за­ция не упу­стит такой воз­мож­но­сти мно­го­крат­но повы­сить эффек­тив­ность про­из­вод­ства энер­гии.

Если дело дой­дет до про­мыш­лен­но­го про­из­вод­ства, то тер­мо­ядер­ный син­тез на токо­ма­ке будет по суще­ству все­го лишь «затрав­кой», все­го лишь источ­ни­ком

дра­го­цен­ных ней­тро­нов, а 96% энер­гии все рав­но будет про­из­во­дить­ся в реак­ци­ях деле­ния, и основ­ным топ­ли­вом соот­вет­ствен­но будет уран-238. «Чисто­го» тер­мо­яда, таким обра­зом, не будет нико­гда.

Более того, если наи­бо­лее слож­ная, доро­го­сто­я­щая и наи­ме­нее отра­бо­тан­ная часть этой цепоч­ки – тер­мо­ядер­ный син­тез – про­из­во­дит менее 4% от окон­ча­тель­ной мощ­но­сти, то воз­ни­ка­ет есте­ствен­ный вопрос: а нуж­но ли вооб­ще это зве­но? Может быть, суще­ству­ют более деше­вые и эффек­тив­ные источ­ни­ки ней­тро­нов?

Воз­мож­но, что в неда­ле­ком буду­щем будет при­ду­ма­но что-то совсем новое, но уже сей­час име­ют­ся нара­бот­ки, как вме­сто тер­мо­яда исполь­зо­вать дру­гие источ­ни­ки ней­тро­нов, что­бы бес­пре­пят­ствен­но «сжи­гать» при­род­ный уран-238 или торий. Име­ют­ся в виду:

– реак­то­ры-раз­мно­жи­те­ли (бри­де­ры) на быст­рых ней­тро­нах (2-й пункт недав­ней саров­ской про­грам­мы);

– элек­тро­ядер­ный бри­динг;

– ядер­ный син­тез при невы­со­кой тем­пе­ра­ту­ре с помо­щью мюон­но­го ката­ли­за.

Каж­дый метод име­ет свои слож­но­сти и свои досто­ин­ства, и каж­дый досто­ин отдель­но­го рас­ска­за. Отдель­но­го раз­го­во­ра заслу­жи­ва­ет так­же ядер­ный цикл, осно­ван­ный на тории, что осо­бен­но акту­аль­но для нас, посколь­ку в Рос­сии тория боль­ше, чем ура­на. Индия, где похо­жая ситу­а­ция, уже выбра­ла торий как осно­ву сво­ей буду­щей энер­ге­ти­ки. Мно­гие люди и в нашей стране скло­ня­ют­ся к тому, что тори­е­вый цикл – наи­бо­лее эко­но­мич­ный и без­опас­ный метод про­из­вод­ства энер­гии прак­ти­че­ски в неогра­ни­чен­ном коли­че­стве.

Сей­час Рос­сия сто­ит на рас­пу­тье: надо выбрать стра­те­гию раз­ви­тия энер­ге­ти­ки на мно­го деся­ти­ле­тий впе­ред. Для выбо­ра опти­маль­ной стра­те­гии необ­хо­ди­мо откры­тое и кри­ти­че­ское обсуж­де­ние науч­ным и инже­нер­ным сооб­ще­ством всех аспек­тов про­грам­мы.

* * *

Эта ста­тья посвя­ща­ет­ся памя­ти Юрия Вик­то­ро­ви­ча Пет­ро­ва (1928−2007), заме­ча­тель­но­го уче­но­го и чело­ве­ка, док­то­ра физ.-мат. наук, заве­ду­ю­ще­го сек­то­ром Петер­бург­ско­го инсти­ту­та ядер­ной физи­ки РАН, кото­рый научил авто­ра тому, что здесь напи­са­но.

[1] Ю.В.Петров, Гибрид­ные ядер­ные реак­то­ры и мюон­ный ката­лиз, в сбор­ни­ке «Ядер­ная и тер­мо­ядер­ная энер­ге­ти­ка буду­ще­го», М., Энер­го­атом­из­дат (1987), с. 172.

[2] С.С.Герштейн, Ю.В.Петров и Л.И.Пономарев, Мюон­ный ката­лиз и ядер­ный бри­динг, Успе­хи физи­че­ских наук, т. 160, с. 3 (1990).

Ста­тья впер­вые опуб­ли­ко­ва­на в при­ло­же­нии «Науч­ные сре­ды» к газе­те «Гат­чин­ская прав­да» от 01.09.2009.

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: