- Троицкий вариант — Наука - https://trv-science.ru -

Неукротимая плазма ITER

Строительство ITER. Июль 2016 года. Фото с сайта www.iter.org

Стро­и­тель­ство ITER. Июль 2016 года. Фото с сай­та www.iter.org

Татьяна Пичугина

Татья­на Пичу­ги­на

Со вре­мен совет­ско­го дет­ства я усво­и­ла, что энер­ге­ти­че­ские про­бле­мы чело­ве­че­ства решит управ­ля­е­мый тер­мо­ядер­ный син­тез. Тер­мо­ядер­ная энер­ге­ти­ка будет деше­вой и эко­ло­ги­че­ски чистой, нуж­но толь­ко пре­одо­леть ряд тех­ни­че­ских про­блем. Пре­одо­ле­ние, одна­ко, затя­ну­лось более чем на пол­ве­ка, а воз и ныне там. Попут­но выяс­ни­лось, что управ­ля­е­мый тер­мо­яд — не самая эффек­тив­ная тех­но­ло­гия по про­из­вод­ству энер­гии [1]. Вряд ли она ста­нет рен­та­бель­ной. Раз­ве что сто­и­мость дру­гих источ­ни­ков энер­гии будет зашка­ли­вать.

Всё же уче­ным важ­но на прак­ти­ке пока­зать, что тер­мо­ядер­ный реак­тор может про­из­во­дить энер­гии боль­ше, чем затра­чи­вать. Вот поче­му меж­ду­на­род­ное сооб­ще­ство в 2006 году реши­ло постро­ить самый боль­шой иссле­до­ва­тель­ский реак­тор ITER на юге Фран­ции, в Када­ра­ше. Это очень доро­гой мно­го­лет­ний про­ект. Его бюд­жет состав­ля­ет око­ло 20 млрд долл., а первую плаз­му полу­чат в 2025 году. Сей­час идет изго­тов­ле­ние и мон­таж частей тока­ма­ка, гото­ва ваку­ум­ная каме­ра. А уче­ные всё еще ищут реше­ния про­блем, без кото­рых про­ект пол­но­стью не состо­ит­ся. Их обсуж­да­ли на 43-й кон­фе­рен­ции по физи­ке плаз­мы, про­шед­шей в июле в Бель­гии под эги­дой Евро­пей­ско­го физи­че­ско­го обще­ства [2].

Срыв плазмы

ITER пред­став­ля­ет собой боль­шую торо­и­даль­ную каме­ру, куда посту­па­ет газо­об­раз­ное топ­ли­во — смесь дей­те­рия с три­ти­ем. Газо­вым раз­ря­дом топ­ли­во нагре­ва­ют до тем­пе­ра­ту­ры иони­за­ции, и оно пре­вра­ща­ет­ся в плаз­му. Затем плаз­му нагре­ва­ют до высо­кой тем­пе­ра­ту­ры, и начи­на­ет­ся тер­мо­ядер­ная реак­ция. Обра­зу­ю­щи­е­ся в резуль­та­те реак­ции быст­рые ней­тро­ны сво­бод­но поки­да­ют плаз­му и попа­да­ют в рас­по­ло­жен­ные на стен­ках каме­ры спе­ци­аль­ные моду­ли (блан­ке­ты), в кото­рых цир­ку­ли­ру­ет вода. В тол­стом слое воды ней­тро­ны тор­мо­зят­ся и нагре­ва­ют ее. Эта горя­чая вода и слу­жит источ­ни­ком энер­гии. Так же рабо­та­ют ТЭЦ и АЭС — они тоже нагре­ва­ют воду.

Про­бле­ма тока­ма­ков заклю­ча­ет­ся в том, что плаз­мен­ные про­цес­сы еще не до кон­ца управ­ля­е­мы. Опас­нее все­го, когда плаз­ма вне­зап­но охла­жда­ет­ся и каса­ет­ся стен­ки реак­то­ра. Это так назы­ва­е­мый срыв. Срыв плаз­мы гро­зит оста­нов­кой реак­то­ра на несколь­ко меся­цев и боль­ши­ми финан­со­вы­ми рас­хо­да­ми.

В тока­ма­ке плаз­му будут нагре­вать до 100 млн °C. Это в несколь­ко раз боль­ше, чем тем­пе­ра­ту­ра на Солн­це. А чем выше тем­пе­ра­ту­ра, тем выше ско­рость частиц в плаз­ме. При­чем все­гда есть части­цы, кото­рые дви­жут­ся со ско­ро­стя­ми на поря­док выше сред­ней ско­ро­сти. Столк­но­ве­ния этих быст­рых частиц с про­чи­ми из-за их ско­ро­сти длят­ся очень недол­го, и энер­гия пере­да­ет­ся мало­эф­фек­тив­но. Во вре­мя сры­ва, то есть рез­ко­го охла­жде­ния плаз­мы, пада­ет ее про­во­ди­мость, и коль­це­вой ток плаз­мы тоже стре­мит­ся умень­шить­ся, но из-за боль­шо­го коли­че­ства желе­за вокруг воз­ни­ка­ют наве­ден­ные токи в раз­ных частях уста­нов­ки. Они инду­ци­ру­ют вих­ре­вое элек­три­че­ское поле, пре­пят­ствуя сни­же­нию тока плаз­мы. Это вих­ре­вое поле гораз­до мощ­ней, чем посто­ян­ное элек­три­че­ское поле самóй плаз­мы. Бла­го­да­ря вих­ре­во­му полю быст­рые элек­тро­ны раз­го­ня­ют­ся до суб­све­то­вых ско­ро­стей и могут пере­но­сить бóль­шую часть тока плаз­мы. Их так и назы­ва­ют — убе­га­ю­щие элек­тро­ны. Если они попа­дут на стен­ку реак­то­ра, то мгно­вен­но ее про­жгут. Кро­ме того, пере­но­си­мая ими часть тока плаз­мы спа­дет слиш­ком быст­ро, что вызо­вет меха­ни­че­ские пере­груз­ки в эле­мен­тах тока­ма­ка, спо­соб­ные его раз­ру­шить. А ремонт блан­ке­та и каме­ры —дело дол­гое и доро­гое.

В прин­ци­пе, физи­ки могут пред­ска­зы­вать сры­вы плаз­мы и при­ни­мать какие-то меры, но что делать с убе­га­ю­щи­ми элек­тро­на­ми, пока неяс­но. Предот­вра­тить их появ­ле­ние, види­мо, невоз­мож­но. А мож­но ли не допу­стить их кон­такт со стен­кой? Одно из пред­ло­же­ний заклю­ча­ет­ся в том, что­бы вос­поль­зо­вать­ся обмот­ка­ми реак­то­ра, что­бы удер­жи­вать ток убе­га­ю­щих элек­тро­нов, пока он сам не затух­нет. Но, соглас­но оцен­кам, воз­мож­но­стей обмо­ток для это­го может не хва­тить. Дру­гой вари­ант — напу­стить в каме­ру инерт­ный газ, аргон или неон, что­бы затор­мо­зить убе­га­ю­щие элек­тро­ны. Одна­ко газ, встре­ча­ясь с плаз­мой, пло­хо про­ни­ка­ет в нее и может не достать до убе­га­ю­щих элек­тро­нов. В любом слу­чае про­бле­му сры­ва плаз­мы пред­сто­ит решать по ходу стро­и­тель­ства ITER.

Проблемный тритий

Дру­гая про­бле­ма — где брать три­тий для топ­ли­ва. Сей­час его нара­ба­ты­ва­ют в обыч­ных ядер­ных реак­то­рах или реак­то­рах-раз­мно­жи­те­лях. В год про­из­во­дят все­го несколь­ко кило­грам­мов три­тия в мире. Из-за мало­го пери­о­да полу­рас­па­да хра­не­ние три­тия затруд­не­но — запа­сы быст­ро умень­ша­ют­ся есте­ствен­ным путем.

На пер­вых эта­пах ITER будет рабо­тать без три­тия и тер­мо­ядер­ной реак­ции. Экс­пе­ри­мен­ты нач­нут с водо­ро­дом, потом перей­дут на дей­те­рий, а через несколь­ко лет, если не будет нештат­ных ситу­а­ций, доба­вят три­тий. Он и поз­во­лит про­из­во­дить тер­мо­ядер­ную реак­цию и полу­чать боль­ше энер­гии, чем тра­тит­ся на нагрев плаз­мы.

Нара­ба­ты­вать и хра­нить три­тий невы­год­но. Уче­ные обду­мы­ва­ют спо­соб полу­че­ния его внут­ри реак­то­ра. Три­тий обра­зу­ет­ся в реак­ци­ях при уча­стии изо­то­па лития. Если раз­ме­стить литий на пер­вой стен­ке каме­ры, то летя­щие из плаз­мы про­то­ны и ней­тро­ны будут реа­ги­ро­вать с ним и про­из­во­дить нуж­ное коли­че­ство три­тия. Для запус­ка ITER пона­до­бит­ся око­ло 3 кг три­тия.

Нара­бо­тать литий гораз­до лег­че, посколь­ку его основ­ной источ­ник — это мор­ская вода. Мож­но поста­вить уста­нов­ки на бере­гу оке­а­на и про­из­во­дить литий там. Опять-таки из мор­ской воды мож­но извле­кать и дей­те­рий. Вопрос в дан­ном слу­чае заклю­ча­ет­ся в цене такой тех­но­ло­гии.

Допу­стим, про­бле­му с три­ти­ем реши­ли. Далее в тер­мо­ядер­ной реак­ции дей­те­ри­е­во-три­ти­е­вое топ­ли­во выго­ра­ет с обра­зо­ва­ни­ем гелия. Гелий скап­ли­ва­ет­ся в цен­тре плаз­мы. В ITER раз­ряд для под­жи­га плаз­мы будет длить­ся все­го 300 секунд. Мож­но гру­бо срав­нить рабо­ту уста­нов­ки с чай­ни­ком, кото­рый вски­пя­тил воду и выклю­чил­ся. То есть, пока тока­мак не пере­шел на рабо­ту в ста­ци­о­нар­ном режи­ме, скоп­ле­ние гелия в плаз­ме не пред­став­ля­ет про­бле­мы. В про­тив­ном слу­чае гелий при­дет­ся выво­дить из плаз­мы.

Заряд гелия равен двум, зна­чит, он излу­ча­ет силь­нее, чем водо­род, то есть допол­ни­тель­но охла­жда­ет плаз­му. Кро­ме того, из-за гелия рас­тет дав­ле­ние плаз­мы, сле­до­ва­тель­но, при­дет­ся огра­ни­чи­вать пода­чу топ­ли­ва. В кон­це кон­цов гелий пол­но­стью вытес­нит топ­ли­во из каме­ры, тогда тер­мо­ядер­ная реак­ция затух­нет. Что­бы это­го не допу­стить, уче­ные при­ду­ма­ли спе­ци­аль­ные уло­ви­те­ли гелия и при­ме­сей дру­гих частиц — дивер­то­ры. Их раз­ме­стят на стен­ке реак­то­ра, что­бы туда вле­та­ли выби­тые из стен­ки части­цы до того, как попасть в плаз­му, а так­же ядра гелия из самой плаз­мы.

Из-за три­тия воз­ни­ка­ет еще одна про­бле­ма — наве­ден­ная радио­ак­тив­ность стен­ки реак­то­ра. Три­тий хоро­шо захва­ты­ва­ет­ся твер­дым веще­ством. Он будет заби­вать­ся в стен­ку каме­ры, ухуд­шая так­же ее проч­ность и теп­ло­про­вод­ность, перео­са­ждать­ся в щелях и зазо­рах. Радио­ак­тив­ность будет нарас­тать, и во вре­мя оста­нов­ки тока­ма­ка чело­век уже не смо­жет зай­ти внутрь каме­ры, что­бы что-то отре­мон­ти­ро­вать. Нуж­но будет либо при­ме­нять робо­ты-мани­пу­ля­то­ры, либо при­ду­мы­вать спо­соб выби­вать три­тий из стен­ки — этот про­цесс назы­ва­ют кон­ди­ци­о­ни­ро­ва­ни­ем. Напри­мер, зажечь тле­ю­щий раз­ряд рядом со стен­кой, кото­рый бы рас­ка­лял ее и выпус­кал три­тий. А ваку­ум­ный насос отка­чи­вал бы его у стен­ки.

Радио­ак­тив­ность в тока­ма­ке будут наво­дить и ней­тро­ны во вре­мя сжи­га­ния топ­ли­ва. Они всту­па­ют в реак­цию с ядра­ми эле­мен­тов, состав­ля­ю­щих стен­ку блан­ке­та, в резуль­та­те чего обра­зу­ют­ся радио­ак­тив­ные изо­то­пы. Радио­ак­тив­ность в тока­ма­ке, конеч­но, будет не срав­ни­ма с той, что суще­ству­ет в актив­ной зоне АЭС, но все-таки суще­ствен­на для обслу­жи­ва­ю­ще­го пер­со­на­ла. В любом слу­чае, если мы хотим, что­бы ITER рабо­тал с три­ти­ем, нуж­но решить про­бле­му его син­те­за и кон­ди­ци­о­ни­ро­ва­ния.

А там, гля­дишь, подой­дет вре­мя стро­ить про­мыш­лен­ный тока­мак DEMO, рабо­та­ю­щий на непре­рыв­ном раз­ря­де. Его реа­ли­за­ция отне­се­на на 2040-е годы [3].

Татья­на Пичу­ги­на

1. Дмит­рий Дья­ко­нов. «Чистой» тер­мо­ядер­ной энер­ге­ти­ки не будет /​/​ ТрВ-Нау­ка, № 38 от 29 сен­тяб­ря 2009 года.

2. https://kuleuvencongres.be/eps2016

3. http://scientificrussia.ru/articles/megaproekt-veka-eto-tolko-nachalo

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

Связанные статьи