ЕНКМ_3 часть

Рис. 2.15: Схема классического токамака.

2.2.6. Стеллараторы

После закрытия американской программы исследований на стеллараторах работа в этом направлении была продолжена в СССР,

Англии, Германии, Франции, в Японии. Были найдены причины неудач американских ученых. Главная из них состояла в недооценки точности, с которой должны были быть изготовлены обмотки магнитов. Она лежит на пределе возможностей современного машиностроения. К тому же детали магнитной системы стелларатора имеют крайне сложную форму и сделаны из неудобных материалов – меди и сверхпроводящих сплавов. Ошибки американских ученых, допущенные при изучении размеров и формы магнитных обмоток, привели к заметным нарушениям структуры магнитного поля.

171

Ловушка оказывалась «дырявой», в результате время удержания плазмы резко уменьшалось. В связи с этим, создать стелларатор оказалось значительно сложнее, чем токамак такого же размера.

Рис. 2.16: Схема стелларатора. Стелларатор намного сложнее токамака, зато теоретически он сможет удерживать плазму сколь угодно долго.

В тоже время стеллараторы имеют ряд преимуществ перед токамаками. Магнитное поле в них можно не выключать годами. То есть в принципе он может работать в постоянном режиме, что и требуется для термоядерного реактора. В токамаке для поддержания тока в плазме требуется импульсное магнитное поле, так что время

172

существования плазмы в нем ограничено. Пока не известно удастся ли добиться стационарного режима в реакторе-токамаке.

Другое преимущество стелларатора – отсутствие самой опасной из неустойчивостей плазмы, так называемых больших срывов. В токамаке винтовое магнитное поле создается током, который течет прямо по плазме и подвержен колебаниям и движениям вместе с ней. Иногда в результате таких колебаний структура удерживающего магнитного поля меняется так неудачно, что плазма буквально вылетает на стенку камеры (большой срыв). В некоторых случаях – это может привести даже к разрушению стенок реактора. В стеллараторе, где структура магнитного поля не зависит от движения плазмы, такой проблемы просто нет.

По объему выполненных работ, стеллараторы отстают от токамаков лет на 10. Однако отставание постепенно сокращается. Время удержания плазмы в современных стеллараторах составляет уже десятые доли секунды, а ее параметры в самых крупных моделях

– Wendelstein и LHD (Large Helical Device – большое спиральное устройство) – не уступают лучшим достижениям токамаков. Мощность термоядерных реакций составляет около 80 % от вложенной в плазму. При обсуждении дальнейших планов ученые все чаще высказывают идеи о том, что первые реакторы должны быть построены по принципу токамаков, но первые термоядерные электростанции должны будут работать с использованием стеллараторов.

В случае если УТС будет достигнут, то термоядерная реакция сама может помочь в поддержании необходимой температуры. К

173

примеру, в реакции дейтерия и трития 80 % выделяющейся энергии уносит нейтрон, а 20 % – ядро гелия. Чтобы использовать энергию нейтронов, термоядерный реактор окружают специальной стенкой, содержащей замедлители нейтронов и каналы с охлаждающей жидкостью. Эта энергия передается водяному пару и преобразуется в электричество. Но в подогреве плазмы использовать нейтроны не удается. Зато 20 % энергии, приходящейся на долю ядра гелия, использовать для этого можно. Благодаря взаимодействию с ядрами дейтерия и трития ядра гелия отдают им свою энергию. Если при этом использовать магнитное поле для удержания ядер гелия, то их энергия пойдет на нагрев плазмы почти полностью. Тогда реакция, сможет поддерживать сама себя.

2.2.7. Соотношение экспериментальных данных с расчетными

Найденные эмпирические соотношения для энергетического времени жизни плазмы τE дают хорошее согласие с экспериментальными данными в широком диапазоне параметров. Это является основой для достижения проектируемых параметров будущих реакторов.

На установках последнего поколения токамаков (TFTR, JET, JT60) достигнуты температура и плотность плазмы, близкие к требуемым для термоядерного реактора, и осуществлена импульсная управляемая термоядерная реакция относительно малой мощности. Завершен принципиальный этап в разработке новой энергетики –

174

осуществлена научная демонстрация управляемой термоядерной реакции синтеза в лабораторных условиях.

Рис. 2.17.

2.2.8. Перспективы термоядерной энергетики

Изобилие топлива: запасы дейтерия в воде океанов неисчерпаемы, содержание лития в земной коре в 200 раз больше, чем урана.

Радиационная биологическая опасность термоядерных реакторов примерно в тысячу раз ниже, чем реакторов деления.

Отсутствие CO2, горных выработок, возможность размещения реактора в любом месте.

175

Отсутствие «тяжелых» радиоактивных отходов, которые могли бы быть использованы для изготовления «грязных» бомб.

Физическая невозможность разгона («взрыва») реактора.

Рис. 2.18: Таблица калорийности топлива.

Рис. 2.19: Трехступенчатая система защиты.

176

В термоядерном реакторе физически невозможен «разгонный» (взрывной) характер процесса. Безопасность термоядерного реактора обеспечивается за счет реализации концепции глубоко эшелонированной защиты, основанной на применении трехступенчатой системы физических барьеров на пути распространения ионизирующего излучения, радиоактивных и токсических веществ в окружающую среду, системы мер по защите физических барьеров и сохранению их эффективности, а также по защите персонала, населения и окружающей среды.

2.2.9. Заключение

Термоядерная энергетика – это потенциальный кандидат для базовой энергетики будущего. Термояд имеет практически неограниченные запасы топлива и других материалов, используемых при производстве энергии. Существует принципиальная возможность создания низкоактивируемых конструкционных материалов, которые будут «остывать» за время нескольких десятков лет и затем смогут быть переработаны и использованы вновь.

Огромное значение, которое придаётся исследованиям в области УТС, объясняется рядом причин. Нарастающее загрязнение окружающей среды настоятельно требует перевода промышленного производства планеты на замкнутый цикл, когда возникает минимум отходов. Но подобная реконструкция промышленности неизбежно связана с резким возрастанием энергопотребления. Между тем ресурсы минерального топлива ограничены и при сохранении

177

существующих темпов развития энергетики будут исчерпаны на протяжении ближайших десятилетий (нефть, горючие газы) или столетий (уголь). Конечно, наилучшим вариантом было бы использование солнечной энергии, но низкая плотность мощности падающего излучения сильно затрудняет радикальное решение этой проблемы. Переход энергетики в глобальном масштабе на ядерные реакторы деления ставит сложные проблемы захоронения огромных радиоактивных отходов (альтернатива: выброс радиоактивных отходов в космос). По имеющимся оценкам, радиоактивная опасность установок на УТС должна оказаться на три порядка величины ниже, чем у реакторов деления. Если говорить о далёких прогнозах, то оптимум следует искать в сочетании солнечной энергетики и УТС.

Подумайте и ответьте:

1.Что такое термоядерные реакции?

2.Какие условия необходимо учитывать ученым для реализации управляемого термоядерного синтеза?

3.Почему плазму называют четвертым агрегатным состоянием вещества? Чем плазма отличается от газа?

4.Какие пути достижения управляемого термоядерного синтеза выделяют в современной физике?

5.Какие технические устройства используются для создания необходимых условий управляемого термоядернго синтеза?

6.Как Вы считаете, есть ли необходимость в дальнейшем развитии термоядерной энергетики?

178

§ 2.3. ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИИ

Нанотехнология – это совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипулирования атомами и молекулами.

Нанотехнология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

С технической точки зрения под нанотехнологиями подразумевается следующее:

знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм, в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;

использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.

179

2.3.1. История развития нанотехнологий

Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. 2 400 лет назад он впервые использовал слово «атом» для описания самой малой частицы вещества.

1905 г. – Немецкий физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

1931 г. – Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1959 г. – Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Основные положения нанотехнологий были намечены в его легендарной лекции Там внизу – много места (There’s Plenty of Room at the Bottom), произнесенной в Калифорнийском Технологическом Институте. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами (то есть опознать атом, взять его и поставить на другое место). Чтобы стимулировать интерес к этой области, Фейнман назначил приз в $1000, тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 г.

180