Появата на термоядрен реактор се очаква повече от половин век. Очакванията са толкова прегряли, че се е появила много популярна конспиративна теория, сякаш всъщност е измислена отдавна, но петролните магнати крият изобретението от масите, за да не загубят супер печалби. Както всяка теория на конспирацията, такава теория не издържа на критика и остава тема за детективската проза. Разбирането на това обаче не отменя основния въпрос: кога ще овладеем термоядрената енергия?
СЛЪНЧЕВ БОСТЕР
Термоядрена реакция (или реакция на ядрен синтез), при която по-леките ядра се сливат в по-тежки, е описана от физиците още през 1910-те. И за първи път го наблюдава английският учен Ернст Ръдърфорд. През 1919 г. той избутва хелий с азот с висока скорост, за да произвежда водород и тежък кислород. Пет години по-късно Ръдърфорд успешно завърши синтеза на тежък водороден тритий от тежки водородни ядра на деутерий. Приблизително по същото време астрофизикът Артър Едингтън излага смела хипотеза, че звездите изгарят поради хода на термоядрените реакции в техните черва. През 1937 г. американският учен Ханс Бете успя да докаже появата на термоядрени реакции на Слънцето - следователно Едингтън беше прав.
Идеята за възпроизвеждане на „слънчев огън“на Земята принадлежи на японския физик Токутаро Хагивара, който през 1941 г. предполага възможността за иницииране на термоядрена реакция между водородните ядра с помощта на експлозивна верижна реакция на делене на уран - тоест атомната експлозия трябва да създаде условия (свръхвисока температура и налягане) за да започне термоядрен синтез. Малко по-късно Енрико Ферми, който участва в създаването на американската атомна бомба, стига до същата идея. През 1946 г. под ръководството на Едуард Телър в лабораторията в Лос Аламос стартира изследователски проект за използването на термоядрена енергия.
Първото термоядрено устройство е взривено от американските военни на 1 ноември 1952 г. на атола Енеуеток в Тихия океан. Проведохме подобен експеримент през 1953 г. По този начин човечеството използва термоядрен синтез вече повече от шейсет години, но само за разрушителни цели. Защо не можете да го използвате по-рационално?
ПЛАЗМНИ МАЙСТОРИ
Промоционално видео:
От гледна точка на енергията, оптималната температура на плазмата при термоядрена реакция е 100 милиона градуса. Това е няколко пъти по-високо от температурата във вътрешността на Слънцето. Как да бъда?
Физиците предлагат плазмата да се държи в "магнитен капан". В началото на 50-те години Андрей Сахаров и Игор Тамм изчисляват конфигурацията на магнитните полета, способни да компресират плазмата в тънка нишка и да я предпазват от падане върху стените на камерата. Въз основа на схемата, която те предложиха, бяха създадени множество токамаки.
Смята се, че терминът "TOKAMAK" произхожда като съкращение на фразата "TOroidal CAMERA with Magnetic Coils". Основният елемент на дизайна наистина са намотките, които създават мощно магнитно поле. Работната камера на токамака е пълна с газ. В резултат на разрушаването под действието на вихровото поле настъпва засилена йонизация на газа в камерата, която го превръща в плазма. Образува се плазмена нишка, която се движи по тороидалната камера и се нагрява от надлъжен електрически ток. Магнитните полета поддържат кабела в равновесие и му придават форма, която му пречи да докосва стените и да ги изгаря.
Към днешна дата плазмената температура в токамаците е достигнала 520 милиона градуса. Затоплянето обаче е самото начало на пътуването. Токамакът не е електроцентрала - напротив, той консумира енергия, без да дава нищо в замяна. Термоядрена електроцентрала трябва да бъде изградена на различни принципи.
На първо място физиците взеха решение за горивото. Почти идеална за енергиен реактор е реакция, основана на сливането на ядра от водородни изотопи - деутерий и тритий (D + T), в резултат на което се образуват ядрото хелий-4 и неутронът. Обикновената вода ще служи като източник на деутерий, а тритий ще се получава от литий, облъчен с неутрони.
Тогава плазмата трябва да бъде нагрята до 100 милиона градуса и силно компресирана, задържайки в това състояние дълго време. От гледна точка на инженерния дизайн, това е изключително сложна и скъпа задача. Именно сложността и високата цена задържат развитието на тази енергийна посока за дълго време. Компанията не беше готова да финансира толкова голям проект, докато не се увери в успеха му.
ПЪТЪТ ЗА БЪДЕЩЕТО
Съветският съюз, където са построени уникални токамаки, престава да съществува, но идеята за овладяване на термоядрената енергия не умира и водещите държави осъзнават, че проблемът може да бъде решен само заедно.
И сега първият експериментален термоядрен реактор за енергетика се изгражда днес в село Кадараш, в югоизточната част на Франция, близо до град Екс ан Прованс. Русия, САЩ, Европейският съюз, Япония, Китай, Южна Корея, Индия и Казахстан участват в изпълнението на този велик проект.
Строго погледнато, съоръжението, което ще бъде изградено в Кадараче, все още няма да може да работи като термоядрена електроцентрала, но може да приближи времето си. Неслучайно е наречен ITER - това съкращение означава Международен термоядрен експериментален реактор, но има и символично значение: на латински iter е път, път. По този начин реакторът Cadarash трябва да проправи пътя за термоядрената енергия на бъдещето, която ще осигури оцеляването на човечеството след изчерпването на изкопаемите горива.
ITER ще бъде структуриран, както следва. В централната му част има тороидална камера с обем от около 2000 м3, изпълнена с тритий-деутериева плазма, нагрята до температури над 100 милиона градуса. Неутроните, генерирани по време на реакцията на синтез, напускат "магнитната бутилка" и през "първата стена" влизат в одеялото свободно пространство с дебелина около метър. Вътре в одеялото неутроните се сблъскват с литиеви атоми, което води до реакция с образуването на тритий, който ще бъде произведен не само за ITER, но и за други реактори, ако бъдат построени. В този случай „първата стена“се нагрява от неутрони до 400 ºC. Освободената топлина, както в конвенционалните станции, се приема от първичната охладителна верига с охлаждаща течност (съдържаща например вода или хелий) и се прехвърля във вторичната верига, където се образуват водни пари,отива към турбини, които генерират електричество.
Инсталацията ITER е наистина мега машина. Теглото му е 19 000 тона, вътрешният радиус на тороидалната камера е 2 метра, външният радиус е повече от 6 метра. Строителството вече е в разгара си, но никой не може да каже със сигурност кога ще бъде получена първата положителна енергия при инсталацията. ITER обаче планира да произведе 200 000 kWh, което се равнява на енергията, съдържаща се в 70 тона въглища. Необходимото количество литий се съдържа в една мини-батерия за компютър, а количеството деутерий се съдържа в 45 литра вода. И това ще бъде абсолютно чиста енергия.
В този случай деутерият трябва да е достатъчен за милиони години, а запасите от лесно извлечен литий са напълно достатъчни, за да задоволят нуждите от него в продължение на стотици години. Дори ако запасите от литий в скалите свършат, физиците ще могат да го извлекат от морската вода.
ITER определено ще бъде изграден. И, разбира се, се радвам, че страната ни участва в този бъдещ проект. Само руските специалисти имат дългогодишен опит в създаването на големи свръхпроводящи магнити, без които е невъзможно задържането на плазмата в нишката: благодарение на токамаците!
Антон Первушин