Термоядерная энергия

Солнце является естественным термоядерным реактором

Термоядерная энергия - энергия в некоторой пригодной к использования форме, как правило это электричество, источником которой является реакция термоядерного синтеза. С технической точки зрения большинство генерируемой электроэнергии является неявной форме термоядерной энергии, поскольку Солнце является огромным естественным термоядерным реактором, и практически все горючие ископаемые на Земле является аккумулированной солнечной энергией. Однако в узкоспециальном значении термин используется применительно энергии продуцируемый при искусственно поддерживаемой реакции термоядерного синтеза. На сегодня ни термоядерного электрогенератора не существует, хотя интенсивные эксперименты продолжаются.


1. Реакция синтеза как промышленное источник электроэнергии

Комбинированное изображение изнутри Joint European Torus, когда он выключен, слева, и работает, дело.

По ряду причин, энергия синтеза рассматривается многими исследователями в качестве "естественного" источники энергии в долгосрочной перспективе. Сторонники коммерческого использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии на Практически неисчерпаемы запасы топлива ( водород)

  • Топливо можно добывать из морской воды везде на побережье в мире, что делает невозможным монополизацию горючего одной или группой стран
  • Невозможность неуправляемой реакции синтеза
  • Отсутствие продуктов сгорания
  • Нет необходимости использовать материалы не могут быть использованы для производства ядерного оружия, таким образом исключается случаи саботажа и терроризма
  • По сравнению с ядерными реакторами, незначительное количество радиоактивного мусора с коротким периодом полураспада.

Оценивают, что наперсток наполненный дейтерием производит энергию эквивалентную 20 тона угля. Озеро среднего размера в состоянии обеспечить страну энергией на сотни лет. Однако следует заметить, что существующие исследовательские реакторы спроектирован для достижения простой дейтерий-тритиевой (DT) реакции, цикл полного которой требует использования редкоземельного металла лития для производства трития, тогда как заявления о неисчерпаемости энергии касающиеся использования дейтерий-дейтериевой (DD) реакции во втором поколении реакторов.

Так же как и реакция деления, реакция синтеза не производит атмосферного загрязнения, что является главным вкладом в глобальное потепление. Это является значительным преимуществом, поскольку использование горючих ископаемых для производства электроэнергии имеет следствием то, что, например, в США производится 29 кг CO 2 (один из основных газов способствующих глобальному потеплению) на жителя США в день.


2. Радиоактивные отходы коммерческой реакции синтеза

Реакция синтеза также продуцирует существенно меньшее количество радиоактивного мусора чем реакция ядерного деления используемого в существующих атомных электростанциях. Следует, однако, заметить, что в непререкаемой форме это касается продуктов самой реакции: единственный побочный продукт DT реакции это нейтральный гелий, а DD реакция продуцирует незначительное количество слабо-радиоактивного трития, период полураспада которого составляет всего 12 лет. Относительно общего количества радиоактивных отходов, многое зависит от типа используемого топлива, используемых конструктивных материалов. Особенностью как DT так и DD реакций интенсивное нейтронное излучение, которое имеет свойство активировать материалы, делая радиоактивным сам реактор, возможно, будет означать десятки тысяч тонн радиоактивных отходов. В исследовании по заказу Офиса в Делам Науки и Техники Британского Парламента, приводится оценка, что общий объем радиоактивных отходов будет сравнительным с обычными ядерными реакторами, и что часть этих отходов потребует длительного хранения. Перспективным является использование слабоактивовуваних материалов, основные кандидаты, ни один из которых на сегодня не готов для использования в реакторах, это ванадиевые сплавы, карбид кремния (SiC) и некоторые типы стали. На сегодня предложение создания Международного Центра Исследования облученных материалов (International Fusion Material Irradiation Facility), стоимость которого оценивается в 600 млн. Евро, но никаких практических шагов в этом направлении пока не сделано.

Краткий итог характеристик перспективных материалов для строительства реактора приводится ниже в таблице. Материалы, исследовались : сталь F-82H (Fe-0.1% C-8% Cr-2% W-0.04% Ta), сплав ванадия (V-4% Ti-3.3% Cr) и карбид кремния (SiC). Радиоактивные отходы классифицируются в зависимости от того требуется активное охлаждение и какие компоненты являются основным источником радиации. В таблице приведенной ниже отходы являются высокорадиоактивных (High Level Radioactive Waste, HLW) если они генерируют тепло более 50 Вт / м 3. Предел в 12М Бк / кг (для \ Beta и \ Gamma излучающих нуклидов) служит границей между среднеактивные (Intermediate Level Waste, ILW) и слабоактивными (Low Level Waste, LLW) отходами. На практике разница означает, что высоко-и среднеактивных мусора требует биологической защиты и длительного хранения. Высокоактивные отходы требуют активного охлаждения и постоянного мониторинга. среднеактивные отходы как правило помещают в стале-бетонные контейнеры и хоронят в специально оборудованных хранилищах. Низкоактивные отходы могут обслуживаться людьми в защитной одежде и при условии соблюдения правил радиационной безопасности.

Тип материала Время (лет) активного охлаждения (HLW) Время (лет) перехода ILW в LLW
V-alloy 0.7 2000
SiC 1.3 13000
F-82H 8 600

3. Стоимость электроэнергии по сравнению с традиционными источниками

Критики указывают, что вопрос экономической целесообразности использования ядерного синтеза для производства электроэнергии остается открытым. В том же исследовании по заказу Офиса в Делам Науки и Техники Британского Парламента указывается, что себестоимость производства электроэнергии с использованием термоядерного реактора будет, вероятно, в верхней части спектра стоимости традиционных источников энергии. Многое будет зависеть от будущей технологии, структуры и регулирования рынка. Прямая стоимость электроэнергии сильно зависеть от эффективности использования, времени на обслуживание и стоимости декомисування реактора. Пропонента коммерческого использования энергии ядерного синтеза отрицают, что ископаемое топливо значительной степени субсидируется правительством, как прямо так и косвенно, например использованием вооруженных сил для обеспечения их бесперебойного снабжения, война в Ираке часто приводится как контроверсионный пример такого субсидирования. Учет таких косвенных субсидий является очень сложным, и делает точное сравнение себестоимости практически невозможным.

Отдельно стоит вопрос стоимости исследований. Страны Европейского Сообщества тратят около 200 млн. ? ежегодно на исследования, и прогнозируется, что нужно еще несколько десятилетий пока промышленное использование ядерного синтеза станет возможным. Сторонники альтернативных источников электроэнергии считают, что было бы целесообразнее направить эти средства на внедрение возобновляемых источников электроэнергии.


4. Доступность коммерческой энергии ядерного синтеза

К сожалению, несмотря на распространенный оптимизм (распространенный начиная с 1950-х годов, когда первые исследования начались), существенные препятствия между сегодняшним пониманием процессов ядерного синтеза, технологическими возможностями и практическим использованием ядерного синтеза до сих пор не преодолены, неясным является даже, экономически выгодное производство электроэнергии с использованием ядерного синтеза возможно в принципе. Хотя прогресс в исследованиях является постоянным, исследователи постоянно сталкиваются с новыми проблемами. Например, проблемой является разработка материала способный выдержать нейтронное бомбардировки, что, как оценивается, должно быть в 100 раз интенсивнее, чем в традиционных ядерных реакторах.

Различают следующие этапы в исследованиях:

  • Равновесие (Break-even): когда общая энергия выделяемая в процессе синтеза равна общей энергии потрачено на запуск и поддержку реакции. Это соотношение обозначают символом Q. Равновесие реакции было продемонстрировано на JET (Joint European Torus) в Великобритании в 1997 году.
  • Горящая плазма (Burning Plasma): промежуточный этап, на котором реакция поддерживаться главным образом альфа-частицами продуцируемых в процессе реакции, а не внешним подогревом. Q ≈ 5. До сих пор не достигнут.
  • Воспаление (Ignition): стабильная реакция поддерживающий саму себя. Должна достигаться при больших значениях Q. До сих пор не достигнуто.

Следующим шагом в исследованиях должен стать ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), Международный Термоядерный Экспериментальный Реактор. На этом реакторе планируется провести исследование поведения высокотемпературной плазмы (горящая плазма с Q ~ 10) и конструктивных материалов для промышленного реактора. Окончательной фазой исследований станет DEMO: прототип промышленного реактора, на котором будет достигнуто воспаление, и продемонстрировано практическую пригодность новых материалов. Оптимистичные прогнозы завершения фазы DEMO: 30 лет. Учитывая ориентировочное время на построение и ввод в эксплуатацию промышленного реактора, нас отделяет ~ 40 лет от промышленного использования термоядерной энергии.


5. Конструкция электростанции

Термоядерные реакторы преимущественно классифицируются согласно типа "содержание" (confinement) горячей плазмы. Большинство исследований касаются магнитного удержания плазмы, в такой конструкции мощные магниты удерживают горячую плазму в центре камеры, не давая ей разрушать камеру (температура плазмы ~ 100ь000ь000 K). Среди различных типов реакторов с магнитным удержанием, Токамак продемонстрировал лучшие результаты со времени своего появления. Другой популярный тип содержания - инерционный реактор, интенсивные исследования которого ведут американские ученые. В нем крошечные шарики топлива ("пеллеты") выстреливаются в центр камеры, и "обстреливаются" мощным лазером. Поскольку камера является сравнительно большой, плотность энергии, нагревает стенки камеры недостаточна для их разрушения. Существует также ряд менее распространенных методов удержания плазмы, например с использованием самостягування разряда, в которых ток, проходящий через плазму генерирует собственное магнитное поле, или электростатическое содержания, где ионизированная плазма удерживается силой электростатического отталкивания, как в реакторе Фарнсворт-Хирша.

Разные типы реакторов имеют свои преимущества и недостатки. Токамаки является вероятно лучше исследованным типом, является ближайшим к практическому использованию. Реактор с инерционным удержанием производит плазму с лучшими характеристиками, и является лучшим типом реактора для оружейных исследований, генерирования рентгеновских лучей, сверхмалых реакторов и, вероятно, в будущем для космических полетов. Реакторы этого типа зависят на топливе в форме "пеллет" идеальной формы, в результате обстрела мощным лазером эта форма позволяет генерировать симметричную ударную волну разогревает топливо до состояния очень плотной плазмы. На практике это оказалось чрезвычайно сложной задачей.

Существует жесткая конкуренция между программами исследованиями различных типов содержания за финансирование, что привело к тому, что практические исследования на сегодня сконцентрированы на Токамак и инерционном удержании.

В 2006 г. страны Евросоюза, России, США, Японии, Южной Кореи согласовали строительство экспериментального международного термоядерного реактора (ITER) на юге Франции с полным окончанием работ в 2037-2040 лет.

Существуют также "неортодоксальные" теории и реакции синтеза, см.. холодный синтез.


6. Цикл топлива

Реакторы первого поколения работать на смеси дейтерия и трития. Это топливо имеет ряд недостатков:

  1. Реакция производит значительное количество нейтронов, которые активируют (радиоактивно заражают) реактор и теплообменник. На самом деле, нейтроны появляющиеся в процессе реакции поглощаются защитой реактора, и тепло выделяется используется для нагрева теплообменника, что, в свою очередь, использоваться для вращения генератора. Также необходимые меры для защиты от возможной утечки радиоактивного трития.
  2. Только около 20% энергии синтеза является в форме заряженных частиц (остальные нейтроны), что ограничивает возможность прямого преобразования энергии синтеза в электроэнергию.
  3. Использование DT реакции зависит от имеющихся запасов лития значительно ограничены, чем запасы дейтерия.

Нейтронное облучение во время DT реакции настолько значительное, что после первой серии тестов на JET, крупнейшем реакторе на сегодня, что использует это топливо, реактор стал настолько радиоактивным, что для завершения годового цикла тестов пришлось добавить роботизированную систему дистанционного обслуживания.

Существуют, в теории, альтернативные виды топлива, лишены указанных недостатков. Но их использованию препятствует фундаментальное физическое ограничение. Чтобы получить достаточное количество энергии из реакции синтеза, необходимо удерживать плазму с высокой плотностью при температуре синтеза (10 августа K) в течение определенного времени. Этот фундаментальный аспект синтеза описывается произведением плотности плазмы, n, на время содержания нагретой плазмы, τ, который необходим для достижения равновесия. Произведение, nτ, зависит от типа топлива и является функцией температуры плазмы. Из всех видов топлива дейтерий-тритиевая смесь требует самого низкого значения nτ минимум на порядок, и самую низкую температуру реакции, минимум в 5 раз. Таким образом, DT реакция является необходимым первым шагом, однако использование других видов топлива остается важной целью исследований.