Термо ЯД!

Деякий час тому довелося подискутувати з кількома знайомими на тему альтернативної енергетики та термоядерного синтезу. Виявилося, що останнього вони дуже бояться, уявляючи, мабуть, Чорнобильську станцію, збільшену в розмірах разів у 5-10. Насправді ж, ця штука біла й пухнаста не така вже й страшна, як здається на перший погляд. До того ж, альтернативи їй не існує, як кажуть "лучшие люди города". Тому, я подумав, що варно написати такий-собі, лікбез по енергетиці в цілому і термоядерному синтезу зокрема.

Для чого?

Щоб було зрозуміліше, що питання дуже актуальне, спочатку варто розказати про те, що зараз відбувається у світовій енергетиці. Уся світова енергетика тримається на трьох "слонах" - тепловому водяному і ядерному (він же атомний). Правда, ядерного останніми роками "підсиджує" альтернативний.

"Тепловий слон" - найбільший. На долю різних ТЕС і ТЕЦ - вугільних, газових, нафтових, біомасових тощо - припадає до біля двох третин¹ усієї виробленої електроенергії у світі. Можна тільки уявити, як це все засирає повітря (для прикладу, один самольот за один день знищує стільки їжачків, скільки важить сам² одна така вугільна ТЕС потребує на один день приблизно один-два потяги з вугіллям (до 10 тисяч тон) і викидаючи, при цьому на день порядку 10 тон різних викидів, типу вуглекислого та чадного газу, різних сполук сірки та азоту³. Для порівняння, весь автотранспорт Києва за день викидає біля пів тони викидів.

Другий слон - "водяний", себто, гідроелектростанції - 16% світової енергетики. Вони вигідні тим, що, на перший погляд, майже не забруднюють навколишнє середовище. Але є одне "але". Київське море, наприклад. Для багатьох таких станцій потрібні великі "озера" вище по течії дамби. Такі озера досить мілкі й, часто, перетворюються на болота. Через це страждає екологія річок і прибережних зон.

Третій "слон" - ядерний. Ядерні електростанції виробляють біля 10% світової електроенергії і являються, як це не дивно прозвучить, одними з найбільш екологічно чистих і дешевих. Проте, у них теж є багато мінусів: наприклад, що робити з відходами і як ліквідовувати аварії?

Альтернативна енергетика - не альтернативна

Зразу ж виникає аргумент на користь альтернативних джерел: сонячної, вітрової, припливної тощо. (частка її зараз дотягнув уже до більш, ніж 7 відсотків). Проте, якщо спробувати замінити такими станціями ТЕС та АЕС (біля 80% світової енергетики, якщо послідовно захищати екологію), споруди для збирання такої енергії мають бути воістину циклопічні. Скажімо, щоб замінити Запорізьку АЕС, треба повністю заставити сонячними панелями площу, рівну приблизно площі Києва (для забезпечення електрикою України треба десь біля десятка таких). До того ж, у цих джерел є ще один серйозний недолік: вони припиняють виробляти енергію, як тільки припиняє працювати те, завдяки чому вони її виробляють: Сонце завжди заходить за горизонт, вітри стихають і дужчають, коли хочуть, припливи і відпливи колись закінчуються. Тому, серйозною проблемою є акумулювання такої енергії. Ми, просто, не вміємо цього робити в потрібних масштабах. І найближчим часом не навчимося (бо, якби це було не так, у нас би електромобілі давно заполонили вулиці, морями й океанами ходили б електроходи, під водою пливли б електросубмарини, а небеса розрізали електролітаки). Тому, альтернативну енергетику найближчим часом можна розглядати тільки як допоміжну.
Звичайно, можна говорити про зменшення енерговитрат, енергозберігаючі технології і все таке інше. Але, факти кажуть самі за себе: енергоємкість нашого життя рік від року збільшується (коли ще 50-60 в домі світилися тільки лампочки Ілліча і, в де-кого, телевізори та холодильники, то зараз ми маємо "повний фарш" із побутової техніки та електроніки). І так буде продовжуватися (у вигляді домашніх роботів, електромобілів, "розумних" будинків тощо).

Світове виробництво електрики (розділено по типу джерел).
Як неважко помітити, майже всі графіки постійно підвищуються.

Враховуючи все вищесказане, не важко передбачити, що проблеми з енергетикою та екологією найближчим часом можуть стати дуже серйозними. Особливо, враховуючи відмову від двигунів на викопному паливі і, як наслідок, збільшення споживання електроенергії ще й за рахунок автівок. Тому, якщо ми хочемо не повернутися в кам'яний вік і, разом з тим не задихнутися, треба замінювати перш за все теплоенергетику (а тоді й інші види) чимось екологічнішим.

Домашнє сонце

Грубо (ну дууже грубо) кажучи, вся вироблена нами енергія являється термоядерною, бо ж наша планета й життя на ній утворилося саме завдяки Сонцю. А його тепло саме й забезпечується термоядерною реакцією синтезу перетворення водню в гелій. Але... як я вже казав, Сонце, завжди заходить, а світло хочеться й уночі теж. Тому, після Другої Світової Війни з'явилася ідея отримати "власне домашнє сонце у себе на задньому дворику", себто, створити реактор термоядерного синтезу. Основними його перевагами є великий енергетичний вихід (навіть, порівняно зі звичайними ядерними реакторами), потенційно більший ККД за рахунок того, що температура "горіння" на порядки вища, ніж у будь-чого, що "горить" зараз, і відносна чистота через те, що при реакції випромінюються в основному гама фотони та нейтрони. Останні, правда, можуть добряче "активувати" стінки реактора (іонізувати, після чого вони на певний час стануть радіоактивними), з якими, час від часу доведеться щось робити. Але, то більше питання матеріалознавства й підбору матеріалів з високим порогом активації. Та й час радіоактивності таких "вторинно активованих" матеріалів вимірюється максимум роками (а, як правило, місяцями чи й тижнями), а не десяти- сто- чи тисячоліттями, як це є у звичайній атомній енергетиці.

Фатальні переваги

"Фатальною" (для конкурентів) перевагою термоядерної станції перед звичайною ядерною є той факт, що "ще одного Чорнобиля" тут статися не може. Зовсім. Так, існують термоядерні бомби (при чому, дуже потужні), але в них відбувається "трохи не така" реакція. Точніше, "не так". Справа в тому, що реакція синтезу (перетворення двох атомів водню в гелій) відбувається тільки за температур порядку сотень мільйонів градусів. Для того, щоб розігріти водень до такої температури, у бомбі його по-перше, зберігають не у вигляді газу, а в вигляді гідриду літію (у твердому стані), а тоді розігрівають і стискають з допомогою звичайної ядерної бомби особливої конфігурації (ядерна бомба в якості детонатора. Круто, правда?). Тільки таким чином вдається зберегти потрібну температуру й густину до того, як вигорить все паливо⁴. Якщо ж у звичайному термоядерному реакторі "щось піде не так", розжарений газ (точніше, плазма) просто "пропалить" стінку, витече на ззовні й миттєво охолоне, розірвавши при цьому реакцію.

Ще однією особливістю ТЯ є той факт, що вихідну потужність реактора можна досить швидко міняти. Велика проблема звичайних ядерних реакторів полягає в тому, що вони дуже інертні (наприклад, на зупинку такого реактора треба біля тижня). Тому, атомні станції можуть давати базис струму, а добові зміни коригуються ТЕС-ами. Термоядерні реактори можуть працювати в режимі "підкинути ще вугіллячка дейтерійчику".

І, "на десерт": паливо для таких реакторів можна добувати, буквально, з води (всю воду ніхто не забере!). Як правило, для реакцій синтезу в якості палива використовують особливі ізотопи водню - дейтерій і тритій. Дейтерій у зв'зці з киснем утворює так звану "важку воду", яка завжди в невеликих кількостях міститься у звичайній воді, звідки його можна й фільтрувати. Ще одним видом палива може бути ізотоп гелію - ³He, гелій-3. Його теж є в достатку, але на Місяці :-P

Як воно працює?

Для того, щоб у термоядерному реакторі почалася реакція, потрібно туди напустити газу й дуже сильно його розігріти до кількох мільйонів, чи й десятків мільйонів градусів і сильно стиснути. За таких умов розжарений газ переходить у знаменитий четвертий стан речовини - плазму. Що ж воно таке - та плазма? В результаті дуже сильних ударів атомів об інші атоми, вони вибивають один з одного електрони і ті благополучно починають літати самі по собі, незалежно від цих атомів (на орбітах яких ще не так давно крутилися). В результаті, ми маємо газ із негативно заряджених електронів і позитивно заряджених іонів (знову таки, пам'ятаймо, що він дуууже гарячий, що не дає електронам "осісти" назад на атоми. Як тільки вони з якихось причин "осідають" на "свої" орбіталі в атомі, наступний же удар вибиває їх назад у вільний політ). Так як плазма - дуже гаряча, то вона світиться. Так, полум'я звичайного сірника - це вже плазма. Як і блискавка. Або, наше Сонце.

Так от, якщо продовжувати гріти таку плазму, одного разу настає момент, коли вже ядра атомів (бо електрони з них повилітали давно і лишилися самі ядра) наближаються одне до одного настільки близько, що між ними починають діяти ядерні сили⁵ (починається так звана, сильна взаємодія), які забезпечують різні види реакцій синтезу нових елементів. Для цього наближення треба ядра дуже сильно розігнати, щоб подолати їхнє електричне відштовхування (ядра атомів завжди мають позитивний електричний заряд, тому відштовхуються і чим ближче наближаються, тим сильніше відштовхуються. Бо старий-добрий закон Кулона же ж). В той же час, ядерні сили мають дуже маленький радіус дії. Подолати це відштовхування можна тільки сильно розігнавши ядра. Розігнати ж ядра атомів можна тільки збільшуючи температуру (до тих самих мільйонів, десятків чи й сотень мільйонів градусів). Cest la vie. Тепер ви розумієте, чому допустимо бити пику тим, хто говорить про "холодний" термоядерний синтез!

Отже, ми запустили реакцію... Більшість таких реакцій синтезу потребують зовнішнього "накачування" енергією і не мають ніякої практичної користі в енергетиці. Але, реакції синтезу легких елементів (як то гелій чи літій), самі побічно виділяють велику кількість енергії у вигляді фотонів, швидких нейтронів ядер атомів уже синтезованих гелію чи літію тощо. Справа тільки за тим, щоб їх зловити і направити їхню енергію туди, куди нам треба.

Ложка... Бочка! дьогтю

...але, скажете ви, "я спустився в підвал і не знайшов там термоядерного реактора". І це правильно, бо його там нема :) Справа в тому, що на сьогодні існує біля пів десятка способів добувати енергію з термоядерних реакцій. І жоден з них не працює (але, ми вже близько :-P). І ось чому.

Головна відповідь на це питання: "ми не вміємо ефективно забирати енергію термоядерних реакцій". Для детальнішого пояснення треба описати весь процес. Отже, ми запустили газ у реактор, витратили якусь енергію, щоб нагріти цей газ до стану, коли починається реакція і постійно витрачаємо енергію на його підігрів, щоб він, себто вже плазма, не охолола. Почалася реакція, вона віддала нам якусь енергію +ми забрали назад ту енергію, яку витратили на нагрів і підтримання температури. І ось у нас вже "позитивний" енергетичний вихід.

Але, не все так просто. Проблема в тому, що ми зараз можемо забрати тільки кілька відсотків сумарної енергії (максимум, щось біля 7%⁶). Тобто, ми розігріваємо плазму, підтримуємо температуру, щоб вона не холола, вона дає нам позитивний вихід, а ми з того виходу не можемо забрати енергію. Результат - опалюємо Всесвіт, замість того, щоб крутити лопатки генераторів...

Вихід із цієї ситуації - зробити щось таке, щоб не гріти плазму, поки вона "горить" (справді, не дуже раціонально, забирати енергію, щоб її потім повертати назад в реактор. Це все накладає додаткові енерговтрати). Тобто, нагріти її на початковому етапі, а потім тільки знімати енергію. Таким чином можна отримати позитивний вихід енергії значно простіше, бо нема накладних розходів на постійний підігрів плазми. І тоді, якщо плазми буде багато і вона горітиме достатньо довго, можна отримати багато енергії аж на стільки, що можна перекрити й енергію, затрачену на початковий розігрів (поки вона ще не горить).

І тут треба не забути, що інтенсивність реакції синтезу напряму залежить від температури і тиску. Зі збільшенням того й іншого вона збільшується. Тобто, реагує більше ядер за одиницю часу. Відповідь на питання "чому так?" криється у тому, що температура є середнім показником енергії молекул/атомів/ядер, а це значить, що за будь-якої температури є дуже швидкі атоми (в нашому випадку ядра атомів), які можуть прореагувати. Просто, за низьких температур їх дуже мало. За детальними поясненнями можна сходити, скажімо, сюди. Таким чином, для того, щоб плазма сама себе гріла, треба її дужче нагріти і стиснути!

ВОНО НЕ ГОРИТЬ!

Термоядерний реактор може працювати, грубо кажучи, у двох режимах (існує, правда, ще перехідний, але він нам зараз не дуже важливий):

Перший режим - самопідтримання, коли в реакторі плазма розігріта до мільйонів чи десятків мільйонів градусів і там уже почалася термоядерна реакція. Але, вона протікає слабко і, майже вся енергія, яку відбирають з реактора, йде назад на підігрів плазми, а значана частина її розсіюється при такому обміні плазма-реактор-плазма. Така реакція вимагає найменш "жорстких" умов по температурі й тиску. Але, з такого реактора практичної користі - нуль. Тільки, як експериментальний пристрій, або "фабрика нейтронів" чи рідкісних ізотопів хімічних елементів.

Другий режим - це режми самозагоряння (самогоріння). Коли у плазмі "на всю котушку" іде реакція, вона сама ж себе гріє і віддає енергію на ззовні. Цей режим значно кращий, бо немає "службового" обміну на зворотній підігрів плазми. Таким чином, якщо підтримувати плазму в рівновазі, теоретично реакція може продовжуватися нескінченно довго. Але, біда в тому, що для такого режиму треба значно вищі температура та тиск. Початок такого горіння визначається таким-собі критерієм Лоусона⁷. Погана новина в тому, що воно все ще не горить. А хороша - воно вже майже горить! У всякому разі, великі надії покладаються на майбутній міжнародний термоядерний реактор ITER⁸

Плазма, холєра, неслухняна

Отут ми підібралися до дуже нагального питання: а де тримати плазму? Цікаве питання, Мурзік Васильович, давайте полемізувати. Насправді, це дуже не тривіальна задача, просто тому, що жоден матеріал не може витримати сто мільйонів градусів за цельсієм. "Але, у нас же ж не просто розжарений газ, а плазма!", - сказали вчені, хитро потираючи руки.

Якщо говорити про плазму як про газ, то в цілому вона електронейтральна (бо заряди електронів скомпенсовують на великих масштабах заряди йонів. Але, якщо подивитися на неї зблизька, то виявиться, що вона ще й як заряджена! На малих віддалях видно, що і йони й електрони "гуляють" по ній самі по собі. І тут треба напружити мізки й пригадати шкільну програму з правилом свердлика! Справа в тому, що будь-який електричний заряд, поміщений у магнітне поле, починає "накручуватися" на "свою" лінію магнітного поля. Тобто, вздовж лінії він рухається прямо, а поперек - закручується. В результаті, утворюється така собі "спіральна траекторія руху. Якщо магнітна лінія викривлюється, що й "спіралька" такого заряду викривлюється за нею. Це як нанизати довгу пружину на стержень від ручки. Зігнувши стержень ми бачимо, що згинається і пружина. І так як у плазмі заряди у вигляді електронів та ядер атомів "гуляють" як хочуть, то вони і стають такими зарядами, що нанизуються на лінії магнітного поля, і з них уже зіскочити не можуть. Така поведінка називається вморожуванням плазми в магнітне поле і саме цю властивість використовують для утримання плазми: просто створюють певну конфігурацію магнітного поля, щоб плазма не торкалася до стінок реактора, і в той же час була під великим тиском.

Але, тут теж не все гладко. Плазма - дуже не слухняна і так і норовить "вискочити" за магнітне поле, що її втримує (бо частина ядер та електронів, все ж, "гарячіші", ніж решта і, час від часу "пробивають" цю магнітну "заморозку"). Це явище називають дифузією плазми в магнітному полі. Дифундуючи, плазма вибиває частинки зі стінок реактора, які летять назад у магнітне поле в якості домішок. А це вже міняє властивості цієї плазми, що ускладнює роботу з нею. Але, це було б ще пів біди. Далі - гірше. Електричні сили, які породжуються зарядженими електронами та йонами, є далекодійними. А це значить, що електрону чи йону не треба ударятися, об інший такий же електрон чи йон (як це було б у нейтральному газі), щоб його "смикнути". Достатньо, лише, не дуже далеко від нього пролетіти. Таким чином, плазма починає себе вести дуже дивно. В одних випадках вона поводить себе як газ, в інших - як рідина, в третіх взагалі, не зрозуміло як (все залежить від ступеня іонізації - відсотка заряджених частинок по відношенню до нейтральних, інтенсивності магнітного поля, температури, тиску та різних інших параметрів). Якщо "пхнути" у спокійній плазмі електрон чи йон, то він почне коливатися сюди-туди у полях своїх сусідів, як на пружинках, з так званою, плазмовою (ленгмюрівською) частотою, та й взагалі, саме завдяки дальнодіючим електромагнітним силам, у плазмі можуть збуджуватися добрі півтора десятки різновидів коливань і хвиль⁹, а також різні завитушки, вусики, нестійкості, турбулентність (поведінку якої в принципі не можна передбачити), і ще багато чого неприємного. Короче кажучи, плазма - цікава штука, але вже дуже не слухняна. Втримати таку неслухняну холєру, щоб вона не розпливлася - це окрема історія, достойна кількох товстих томиків на поличці :) І ця проблема розв'язана зараз лише частково. На сьогодні найбільший час утримання плазми - 70 секунд¹⁰

А якщо зробити термоядерну бомбу, але маленьку?

"термоядерна бомба"
для інерційного реактора NIF

Коли я казав, що умов горіння плазми не досягли, я трохи злукавив. У термоядерних бомбах плазма горить, навіть, дуже непогано. Там потрібні температура та тиск досягається, як я й казав вище, дуже просто: попереднім підривом звичайної ядерної бомби спеціальної форми, щоб швидко стиснути й розігріти дейтерій у ній. Але, проблема в тому, що ця реакція - не контрольована. Її не можна приглушити чи зупинити після початку. Але, це вже щось. І тут британські уч0ні подумали, що може й не треба її контролювати? Хай собі горить. Тільки ми зробимо таку бомбу дуже малесенькою - розміром із сірникову голівку. Сказано - зроблено! Так виникли інерційні (імпульсні) термоядерні реактори. Принцип дії таких штук дуже простий. Невелику (кілька міліметрів у діаметрі) полімерну кульку набирають компоненти для реакції (водень, і/чи гелій у різних варіаціях, залежно від типу реакції), кидають таку кульку з певної висоти, а коли вона долітає до певного місця, обстрілюють її потужними лазерами з усіх боків (такі собі мікрозамінники "ядерного" детонатора в термоядерній бомбі). В результаті, верхні шари миттєво випаровуються і починають тиснути на нижні шари кульки. Там все розігрівається і стискається і виходить невеликий ба-бах. Єдина проблема, знову ж таки, не пошкодити стінки й зібрати енергію бабаху.

Найбільш перспективним з таких реакторів зараз являється NIF¹⁰, розміщений в Каліфорнії. Але, це теж експериментальна установка без стабільного позитивного енергетичного балансу.

NIF - National Ignition Facility.
Термоядерний реактор інерційного типу

Є ще кілька типів термоядерних реакторів, заснованих на електростатичному утриманні плазми та так-званому пінч-ефекті. Також, окрема тема - термоядерні ракетні двигуни. Але, цей пост більше про енергетику, тому я тут про них не буду розказувати, бо ж вони не розглядаються, як перспективні для термоядерної енергетики. Та й загалом, термоядерний синтез - надто складна і різноманітна штука, щоб описати його в одному пості. Проте, за бажання можна знайти багато посилань на подібні речі в інтернеті. Головне - допитливість :)

Епілог

Коли на початку 50-х років минулого століття вчені придумали ідею такого реактора, здавалося, що за 20-30 років у кожній хаті стоятиме власне "невеличке домашнє сонце" десь у підвалі чи на горищі. Проте, минуло вже більше 60-и років, а ми все ще наближаємося (здається, цього разу по-справжньому) до мети. І вже зараз ми розуміємо, що "маленьке сонце на горищі" не вийде. А вийдуть величезні електростанції з гігаватними виходами енергії, які будуть забезпечувати енергією цілі мегаполіси. Але, на цьому шляху в бажанні "осідлати" ядра водню й гелію ми багато дізналися про таку дивовижну річ, як плазма, а за одно й про надра зірок. А, відтак, і про будову Всесвіту.

На жаль, на сьогоднішній день головні проблеми термоядерних реакторів усе ще лишаються не розв'язаними: ми все ще вміємо знімати з плазми тільки невеликий відсоток енергії і ми все ще не вміємо утримувати плазму в магнітних полях довгий час (для інерційних реакторів не актуально), а це значить, що ми маємо щоразу розігрівати плазму по новій, що робить реактори не продуктивними. Тим не менш, насьогодні ми вже підійшли дуже близько до розв'язання цих задач. І, хто зна, можливо, один з читачів цієї статті отримає "нобелевку" рішення однієї з них ;-)

Як би там не було, ми, просто, приречені або здохнути, або придумати ефективне й універсальне джерело енергії як на Землі, так і за її межами. Пора лишити викопне паливо минулому століттю й, на решті, почати дивитися в майбутнє.