Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 3.7.3 Світові енергетичні ресурси та необхідність вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу

Пошуки людиною нових джерел енергії для задоволення своїх потреб сягають корінням витоків цивілізації на Землі. Протягом останнього часу щонайменше кілька міжнародних конфліктів були спричинені боротьбою за оволодіння територіями, багатими на енергетичні ресурси. Безплідні простори ніколи не були об'єктом завоювання та експлуатації. Будемо сподіватися, що ядерні процеси синтезу й поділу зможуть, нарешті, повністю вирішити проблему забезпечення енергією всього людства.

Ми наближаємося тепер до сутності питання про важливість вирішення проблеми керованого синтезу легких ядер. Саме керованого, а не спонтанного, як це відбувається в результаті страхітливого за потужністю вибуху водневої бомби. Чому, незважаючи на відсутність вирішального успіху, їй, продовжують приділяти таку велику увагу у всіх передових промислово розвинутих країнах?

На перший погляд, відповідь на диво проста: вирішивши цю проблему, людство одержить необмежене щодо потужності, дешеве джерело енергії, яке буде однаковою мірою доступним для всіх націй. Несподівана простота відповіді в поєднанні з деякою домішкою пафосу (йдеться і про долю людства, і про безмежні можливості!) може викликати скепсис, та й актуальність сучасних досліджень у цій галузі здається сумнівною. Адже ще далеко не вичерпані запаси вугілля й нафти, ще не витрачені ресурси гідроенергії, майже не використовується сонячна енергія, ми лише почали експлуатувати ядерне пальне — уранові й торієві руди.

З позицій даного моменту все це, звичайно, вірно в рамках статичного, незмінного світу. Але ми живемо в умовах світу динамічного, який стрімко змінюється. Щоб завтра перед людством не постала загроза енергетичного голоду, основи енергетики майбутнього повинні закладатися вже сьогодні. Тут не повинно залишатися навіть тіні сумніву або двозначності, тому пояснимо наведену думку. Простежимо, насамперед, як змінювалася кількість населення Землі. Зрозуміло, точність оцінок, що стосуються далекого минулого, є недостатньою, але це не змінює загальної картини: знадобилося кілька сотень тисяч років, щоб людство до 1830 року розмножилося до одного мільярда, за наступні сто років додався другий мільярд, і тільки тридцять років знадобилося для появи на Землі ще одного мільярда людей. У даний час річний приріст становить приблизно 2 %, тобто близько 140 мільйонів чоловік.

10000 років до нашої ери	(1 - 10) •
Початок нашої ери	250 •
1650 р.	500 •
1850 р.	1,1 •
1950 р.	2,4 •
1975 р.	4,0 •
2000 р.	7,0 •

Добре відомо, що найбільше значення для стрімкого зростання кількості населення мав прогрес медицини (зниження дитячої смертності, відкриття антибіотиків). Перед майбутніми поколіннями незабаром постануть складні проблеми розселення людей і регулювання чисельності людства. Але незалежно від цього люди повинні їсти, одягатися, мати захист від холоду, не кажучи вже про задоволення Духовних потреб, які невпинно зростають. Утім, не у віддаленому майбутньому, а вже у наш час проблема голоду — одна із найдошкульніших. Напівголодне існування від колиски до смертної години — доля четвертої частини людства. Якщо врахувати темпи приросту населення, то навіть радикальне вирішення соціальних проблем не усуває необхідності створення синтетичної їжі (завдання біологів) і забезпечення установок білкового синтезу енергетикою (завдання фізиків).

Сказаного досить, щоб оцінити всю серйозність ситуації. Розглянемо тепер становище з енергетичним балансом. Доцільно поділити джерела енергії на дві групи: відтворювані джерела та "основний капітал". До першої групи належать енергія вітру, рік і морських припливів, сільськогосподарського й деревного палива, геотермія (внутрішнє тепло Землі), сонячна енергія. До другої групи належать джерела енергії, які утворилися в земній корі в результаті геологічної еволюції: вугілля, нафта, горючі гази і, зрозуміло, ядерне пальне. У наш час у загальному балансі енергоспоживання перше місце належить вугіллю, нафті й горючим газам. Людство витрачає поки що основний капітал. В історичному аспекті відбувалося витіснення дров і сільськогосподарського палива вугіллям і нафтою.

Для подальших кількісних оцінок зручно ввести одиницю енергії:

Джоулів.

Енергії 1 Q достатньо, щоб нагріти до кипіння два з половиною Ладозьких озера. Історія матеріальної культури й демографічні оцінки показують, що за період від початку нашої ери до 1850 року людство витратило 6 + 9 Q енергії. Споживання за наступні сто років становило близько 4 Q. У 1970 році світове споживання було на рівні 0,2 Q, а в 2000 році воно становило 1 Q Якщо наявні темпи зростання енергоспоживання збережуться, то до 2050 року воно досягне 10 Q. Таким чином, через 50 років людство повинно буде щорічно витрачати стільки ж енергії, скільки воно витратило з часів імперії Августа до наших днів.

Природно, виникає питання, якою мірою це зростання забезпечене наявними ресурсами. Перш ніж розглядати оцінку запасів, наведену нижче, корисно звернутися до одного цікавого міркування. Припустимо, що людство дійсно почне витрачати запаси потенційної енергії (у кінцевому підсумку перетворюючи її на тепло) на рівні, що становить помітну частку від загальної енергії, яку Земля одержує від Сонця. У такому випадку ми повинні бути готові до того, що відбудеться зміна клімату нашої планети. Точніше: уся сонячна енергія, яка досягає поверхні Землі, становит близько 2500 Q на рік. Збільшення енерговиділення, скажімо, до 20-30 Q на рік, якщо воно буде забезпечуватися спалюванням вугілля, нафти й газу, а отже, супроводжуватиметься підвищенням вмісту вуглекислого газу в атмосфері, призведе до відчутних змін клімату Землі ("парниковий ефект"). У результаті почнеться танення материкових льодів Антарктиди й Гренландії, що у свою чергу викличе підвищення рівня Світового океану. Виникне потреба в складних гідротехнічних роботах, щоб захистити від затоплення величезні низинні території на узбережжях океану. Досить несподіваний результаті Правда, якщо енергетика світу повністю перейде на ядерне пальне, то вміст С02 залишиться на колишньому рівні й катастрофічні зміни клімату почнуться за умови більш високих темпів додаткового енерговиділення. Проте, обговорюючи перспективи розвитку енергетики планети, не варто вдаватися до занадто далеких і сміливих екстраполяцій. У межах допустимого припущення ми можемо розглядати як гранично можливу цифру додаткового енерговиділення рівень, що становить ЗО Q на рік

Відтворювані джерела енергії відповідають у сукупності (крім сонячної'енергії) не більш як 2-3 Q на рік. Однак експлуатація їх значною мірою економічно зовсім безперспективна і вони, зрозуміло, не зможуть задовольнити зростаючі потреби світу. Отже, використання мінеральної сировини триватиме.

Сумарні запаси вугілля, навіть за оптимістичними оцінками, не перевищують 150(2, нафти й газу 10 Q. При цьому, у міру витрати наявних ресурсів, видобуток копалин буде пов'язаний із зростанням технічних труднощів і буде супроводжуватися збільшенням їх вартості. У підсумку, за оцінками експертів, запаси нафти (навіть враховуючи ще не відкриті родовища) будуть вичерпані протягом 30—40 років, а вугілля — протягом 100—200 років.

Однак і ця досить похмура перспектива не дає повного уявлення про серйозність сучасного становища. Справа в тому, що ми увесь час використовували глобальні оцінки, які внаслідок усереднення створювали ілюзію відносного благополуччя, принаймні, стосовно найближчого майбутнього. Тим часом мінеральна сировина розподілена вкрай нерівномірно по країнах світу. Досить нагадати, що, наприклад, Західна Єврот на 2/3 залежить від імпорту енергетичної сировини.

Нам залишається розглянути питання про використання сонячного тепла та ядерного пального. На жаль, сонячна енергія має незначну щільність. Енергетична освітленість на поверхні Землі за умови нормального падіння сонячних променів і прозорої атмосфери становить близько 1 кВт/м2. До того ж коефіцієнт корисної дії фото- і термоелектричних перетворювачів невеликий. Тому для забезпечення потреб людства через сто років довелося б значну частину поверхні Землі (близько 10 %!) закрити сонячними генераторами. Фантастичність подібного проекту очевидна.

Існують два діаметрально протилежні ядерні процеси, що протікають з виділенням енергії: процеси розподілу й синтезу. Коли важке ядро, захоплюючи нейтрон, ділиться, то при цьому воно розпадається на дві (або більше) частини, які, як правило, мають неоднакові маси. У результаті виділяється енергія й одночасно вивільняється кілька нейтронів. Ці нейтрони знову можна використовувати для поділу інших важких ядер. Коли відбувається синтез, то два легких ядра, якщо вони мають достатню енергію, поєднуються, і утворюють легкі продукти реакції, які можуть мати значно більшу кінетичну енергію, ніж вихідні компоненти. Енергія в обох випадках має ядерне походження. Ядра, що мають середню масу, не можна використовувати ні для реакцій поділу, ні для синтезу.

З усіх ядер, які тільки існують у природі, тільки ядра урану піддаються поділу за допомогою повільних нейтронів і придатні для використання як пальне в більшості реакторів. (Реактори, які можуть виробляти енергію за рахунок швидких нейтронів і які, отже, можуть використовувати інше пальне, мають невеликі розміри й тому малопридатні для вироблення й одержання великих кількостей тепла. Такі реактори на швидких нейтронах перебувають поки що, в основному, на стадії розробки). Однак торій і уран, що зустрічаються в природному вигляді, .можуть перетворюватися на і плутоній відповідно при захопленні нейтрона, у тому числі і тих нейтронів, що звільняються при поділі. Найбільш розповсюджені ізотопи торію та урану (), які є вихідною речовиною для одержання продуктів та , що піддаються поділу, називаються паливною сировиною.

Вміст урану у природному урані становить 0,71 %. Відносний вміст урану й торію в земній корі оцінюється величинами порядку відповідно. Поклади торію відомі менше, оскільки їх пошук є економічно недоцільним.

Оцінки, одержані останнім часом, свідчать, що західні країни мають запаси урану близько одного-двох мільйонів тонн; його видобуток обходиться порівняно дешево (близько 10 доларів за фунт окису урану ). Кілька мільйонів тонн може бути видобуто за більш високою вартістю (10-30 доларів за фунт). Приблизно така ж кількість паливної сировини, включаючи торій, є і в інших країнах. Тому доступними для видобутку можна вважати близько тонн матеріалів, які є речовиною для поділу. За умови повного використання цих тонн можна одержати 5000 Q енергії, які будуть вичерпані за кілька століть.

Крім того, що кілька століть є короткотривалим історичним періодом, використання матеріалів, що поділяються, створює серйозну проблему, пов'язану з радіоактивними відходами. У разі переходу енергетики на ядерне пальне кількість довго живучих радіоактивних відходів з ядерних реакторів стане загрозливо великою, і виникне складна й матеріально затратна проблема їх захоронення. Використання для цього морського дна загрожує отруєнням океанської фауни, не забезпечує необхідної безпеки й повинно бути відкинуто. Залишається викидання радіоактивних продуктів у далекий космос.

Таким чином, вимальовується неприємна альтернатива: жалюгідний енергетичний пайок або дуже повільне, однак постійно прогресуюче радіоактивне забруднення планети, боротися з яким надзвичайно важко.

Саме із цих позицій ми й повинні підходити до перспективи використання керованого синтезу легких ядер як основи енергетики майбутнього суспільства.

Практичний інтерес являють для нас дві реакції синтезу.

Тут — важкий ізотоп водню — дейтерій, — інший, більш важкий ізотоп водню — тритій, і — ізотопи гелію.

Дейтерій, який з усіх природних ядер є найбільш придатним для термо-ядерних реакцій, є в морській воді — його вміст становить 0,0153 %. Цієї кількості дейтерію достатньо для виробництва 30 Q енергії щорічно протягом 109 років.

Є підстави вважати, що вартість неядерного пального й пального, яке використовується в реакціях поділу, буде з часом зростати, у той час як вартість дейтерію (яка і зараз низька) буде знижуватися.

У процесі синтезу не утворюються шкідливі або довгоіснуючі радіоактивні речовини. Прийнято вважати, що відношення радіоактивної небезпеки для реакторів поділу і реакторів синтезу виражається як 1000:1.

Відповідь на питання про те, навіщо потрібний керований синтез, отримана, і ми можемо перейти до обговорення особливостей проведення процесу термоядерного синтезу.

Сама природа реакції синтезу створює дуже великі труднощі. Щоб два ядра могли злитися, вони повинні підійти досить близько одне до одного, незважаючи на електростатичне відштовхування між ними. Для цього ядра повинні мати велику енергію, тобто необхідне нагрівання ядерного пального. Необхідна для цього температура вища за температуру у внутрішніх областях зірок і дорівнює приблизно К. При таких температурах усі легкі атоми повністю іонізовані й газ складається з голих ядер і вільних електронів. Така сукупність заряджених часток називається плазмою. Фізика плазми набула фундаментального значення в середині двадцятого століття, коли широко розгорнулося вивчення процесів у космосі і стартувала програма досліджень з керованого термоядерного синтезу. Із цього часу почався її стрімкий розквіт, що пояснюється величезним пізнавальним значенням і грандіозністю завдань, які покликана розв'язати фізика плазми. Від її успіхів залежить значною мірою здійснення тих надій, що покладаються на вирішення проблеми керованого синтезу легких ядер у плазмовому середовищі, а разом з тим і на реконструкцію енергетики майбутнього.

Коли йдеться про універсальну поширеність плазми, ми не випадково звертаємо свої погляди до зірок і космічного простору, а не до поверхні Землі. Плазма, тобто іонізований газ, атоми якого (усі або більшість) утратили частину своїх електронів і перетворилися на позитивні іони, утворюється й існує тільки в екстремальних умовах. Зрозуміло, слово "екстремальний" означає винятковість тисків, температур, потоків випромінювання та електромагнітних полів, які спостерігаються в зірках і космосі, порівняно з тими, котрі нас оточують під щитом щільної атмосфери й у межах того вузького температурного інтервалу, який необхідний для життя. Поява плазми в земних умовах — порівняно рідкісна подія; спалахи блискавок під час грози, полярні сяйва або слабке світіння на металевих вістрях при тихих коронних розрядах, імовірно, вичерпує список природних плазмових феноменів у нашому оточенні. Зате технічна цивілізація наших днів достатньо постачає нам плазмових пристроїв та інструментів. Різноманітні вогні газосвітлових реклам і набір газорозрядних приладів (випрямлячів, тиратронів, МГД-перетворювачів і т.д.) — усе це породження технічної електроніки і тих досліджень у галузі фізики газового розряду, які неухильно розвивалися протягом десятиліть.

У наш час досить гарячу й досить щільну плазму одержують у лабораторних умовах поки що тільки на короткі проміжки часу; до того ж вона ще не має повною мірою того бажаного комплексу властивостей, без якого процес керованого синтезу легких ядер неможливий.

Як уже зазначалося, для здійснення реакцій синтезу необхідно нагріти плазму до високих ( К) температур (таку плазму називають "гарячою" або "термоядерною"). Очевидно, що головні труднощі полягають у тому, щоб ізолювати цю високотемпературну плазму від стінок апарата, в якому вона знаходиться. Інакше плазму через її величезну теплопровідність не вдасться нагріти навіть до температури в кілька сотень тисяч градусів, тому що вся енергія, яка надається їй, буде негайно поглинатися стінками. Необхідно розробити дуже ефективний метод термоізоляції, який би унеможливлював контакт плазми з будь-якими навколишніми речовинами. Це означає, що плазма з усіх боків повинна бути оточена вакуумним простором. Але як перешкодити частинкам плазми піти за її межі, інакше кажучи, як утримати плазму від розширення у вакуум? Очевидно, що цього можна досягти лише шляхом застосування магнітного поля, силові лінії якого оточували б плазму і були паралельними стінкам апаратури. Заряджені частинки обвивалися б навколо силових ліній і рухалися б уздовж поля, практично не зміщуючись до стінок. Цю ідею магнітної термоізоляції стосовно проблеми здійснення керованого термоядерного синтезу вперше в СРСР висловили у 1950 році А. Д. Сахаров і І. Є. Тамм. Цілком самостійно до тієї ж думки прийшли приблизно в ті ж роки фізики США й Англії, але через непроникні бар'єри таємності, що існували тоді, ніхто не знав, що відбувається в цій галузі в інших країнах. Системи, в яких для термоізоляції плазми використовується магнітне поле, називаються магнітними пастками.

Другим ключовим питанням, яке необхідно вирішити, є проблема стійкості плазми. Потрібно встановити, за яких умов гаряча плазма, урівноважена магнітними силами, може зберігати стійкість. Для цього було виконано теоретичні розрахунки й проведено різноманітні експерименти, у результаті яких було виявлено ті умови, за яких щільна гаряча плазма, повністю відірвана від стінок і утримувана у вакуумі магнітними силами, буде залишатися в рівновазі досить тривалий час. Слово "тривалий" уживається тут у тому розумінні, що кожен нейтрон протягом часу існування нагрітої плазми матиме значний шанс вступити в ядерну реакцію.

Третє питання, яке в наш час теж фактично вирішене, — це нагрівання плазми до високих, "термоядерних" температур. Розв'язати цю проблему можна різними шляхами: пропусканням сильних струмів через плазму, введенням у плазму високочастотної електромагнітної енергії або інжекцією швидких частинок, розігнаних до високих швидкостей у спеціальних пристроях.

Як виглядатиме термоядерний реактор?

У результаті злиття ядер дейтерію народжується ядро гелію (альфа-частинка) і нейтрон. Термоядерна енергія, яка виділяється у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції, розподіляється між ними обернено пропорційно їхнім масам, так що 80 % енергії синтезу припадає на нейтрони. Альфа-частинки будуть залишатися всередині плазми, витрачаючи свою кінетичну енергію на її "підігрів". Нейтрони ж практично безперешкодно (магнітне й електричне поля на них не діють) будуть виходити з плазменного об'єму назовні. Таким чином, завдання використання енергії зводиться, в основному, до використання енергії швидких нейтронів.

Щоб досягти цієї мети, реагуючу плазму потрібно оточити спеціальною оболонкою, в якій енергія нейтронів буде поглинатися й перетворюватися на тепло. Цю оболонку прийнято називати бланкетом (англійською — "ковдра"). У бланкеті повинні бути канали для циркуляції теплоносія, який знімає енергію, що виділяється внаслідок гальмування нейтронів. У перших реакторах буде використовуватися звичайний пароводяний спосіб перетворення теплової енергії на електричну, тобто енергія теплоносія в теплообміннику буде передаватися воді, що циркулює в другому контурі, перетворюватиме її на пару під тиском, яка, відповідно, буде обертати турбіни й генератори, що виробляють електроенергію. Пізніше, можливо, будуть розроблені інші способи перетворення термоядерної енергії на електричну, у тому числі способи прямого перетворення.

Узагальнюючи сказане, зазначимо, що завдання створення промислової термоядерної електростанції зводиться в даний час до вирішення інженерних задач, які хоч і є надзвичайно складними та дорогими, однак не можуть стати принциповими перешкодами на шляху до розв'язання проблеми. За прогнозами, які враховують думку як оптимістів, так і песимістів, проблему створення термоядерної енергетики, можливо, вдасться вирішити в першій чверті нового століття. Природа може розставити на шляху до термоядерного Ельдорадо лише обмежену кількість труднощів, і після того, як людина, завдяки своїй невпинній творчій активності, зможе їх перебороти, природа вже не зможе придумати нові.