Использование термоядерной энергии
В перспективе самым большим резервом получения энергии является использование термоядерного синтеза с применением изотопов водорода.
При термоядерном синтезе энергия высвобождается в результате взаимодействия ядер водорода – дейтерия и трития, которые выступают в качестве топлива.
Запасы дейтерия в морской воде практически неисчерпаемы. Трития в природе практически нет, но он может быть получен в самом термоядерном реакторе при реализации реакции нейтронов с литием. Запасы лития на Земле во много раз больше, чем запасы органического топлива. Кроме того, тритий получается из изотопов лития при эксплуатации атомных тяжёловодных реакторов, где он считается отходом производства.
В термоядерном реакторе будут сжигаться дейтерий и литий в очень небольшом количестве. При этом из единицы массы термоядерного топлива получится примерно в 10 млн раз больше энергии, чем при сжигании такого же количества ископаемого топлива на ГРЭС и почти в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана на АЭС.
Можно осуществить термоядерный синтез при взаимодействии дейтерия с гелием-3. Однако гелия-3 очень мало, практически он отсутствует. Получить гелий-3 экспериментально очень сложно и дорого. На Луне гелия-3 в 10 тыс. раз больше, чем на Земле. Чтобы покрыть все земные потребности в энергии, достаточно вывезти с Луны 100 т гелия-3. Наличие гелия-3 и дейтерия в термоядерном реакторе делает отходы нерадиоактивными.
Если будет создан термоядерный реактор, то он станет потреблять небольшое количество лития и дейтерия. Такой реактор с электрической мощностью 1 ГВт будет сжигать около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год.
Термоядерная энергия – более экологически чистая, чем при использовании органического топлива, и более безопасная по сравнению с ядерной энергией.
Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких атомных ядер в более тяжёлые, происходящие при сверхвысоких температурах порядка 10 млн. °С и выше, которые необходимы для процесса теплового движения и столкновения ядер с высокой кинетической энергией. Поэтому главная трудность осуществления управляемой искусственной термоядерной реакции связана с созданием эффективной системы, обеспечивающей длительную теплоизоляцию термоядерного рабочего пространства реактора с плазмой от окружающей среды.
Термоядерную реакцию можно будет реализовать с использованием следующих основных технологий и технических решений:
а) создание термоядерного реактора (типа токамак) с использованием сильного магнитного поля;
б) создание термоядерного реактора на базе мощной лазерной системы;
в) создание установок с использованием холодного термоядерного синтеза.
В управляемом термоядерном реакторе плазму в вакууме нужно разогреть до миллионов градусов с помощью сверхпроводящего магнитного поля очень высокой напряжённости, что не позволит заряженным частицам вылетать за пределы «плазменного шнура». При этом во время реакции синтеза тяжёлых ядер нейтроны магнитным полем не задерживаются и передают свою энергию внутренним стенкам установки, которые охлаждаются водой. Выделенное тепло может сниматься теплоносителем первого контура охлаждения, затем во втором контуре получается пар, который направляется в турбину, как в обычных ТЭС.
В настоящее время в мире построено более 100 установок (токамаков) небольшой мощности. Самый мощный токамак мощностью 52 МВт создан в Англии. Однако такие уровни мощностей не решат проблемы обеспечения энергией, поэтому в ближайшей перспективе планируется создание более мощных реакторов.
В связи с проблемами, которые могут возникнуть в ближайшие десятилетия по обеспечению энергией промышленности и населения, ряд индустриально развитых стран подписали соглашение о строительстве и вводе в действие к 2020 г. международного термоядерного экспериментального реактора. Энергетическая мощность этого реактора должна составить 500 МВт при 50 МВт электрической мощности, которая будет тратиться на подержание работы реактора. Реактор намечено построить в г. Кадараш на юге Франции.
Кроме термоядерного реактора с использованием сверхсильного магнитного поля, учёные в нескольких странах мира приступили к реализации идеи создания термоядерного реактора на базе мощной лазерной системы. Эта система, состоящая из нескольких лазеров, должна со всех сторон равномерно облучать своими лучами смесь из дейтерия с тритием и разогревать её до 120 млн. °С, благодаря чему должна начаться самостоятельная термоядерная реакция.
В Калифорнии (США) находится самый большой в мире комплекс, состоящий из 192 лазеров, предназначенный для проведения экспериментов по термоядерному синтезу. Американцы планируют показать работу экспериментального термоядерного реактора с использованием сверхмощного лазера уже в ближайшее время. Система лазеров в таком реакторе работает в импульсном режиме, при котором возникают небольшие ядерные взрывы, которые приводят к нагреву стенок камеры. Далее, по классической схеме, энергия с помощью пара передается паровой турбине и преобразуется в электроэнергию.
В проектируемом экспериментальном термоядерном реакторе ещё больше проблем, чем в токамаках. Слишком мал общий КПД современных лазеров, который находится на уровне 10%. Работы с лазерным термоядерным реактором на 10-20 лет отстают от работ с токамаками.
Кроме использования токамаков и лазерных термоядерных ректоров ведутся работы с применением холодного термоядерного синтеза. При холодном термоядерном синтезе температура плазмы меняется от 20 до 1000°С и более. Однако информация о возможности использования холодного термоядерного синтеза пока не подтверждена экспериментами. Тем не менее, исследования в этом направлении осуществляют в ряде стран.
Канадские учёные заявили о способности в течение 10 лет создать термоядерную установку мощностью 100 МВт, в которой не будет токамака и мощных лазеров. В установке будут использованы жидкий сплав лития и свинца. Создатели установки канадского типа надеяться обогнать по времени пуск термоядерного реактора типа токамак на 20 лет. Ещё в 1980-е годы российские учёные проводили исследования по непосредственному преобразованию термоядерной энергии в электрическую энергию. При положительных результатах таких исследований предполагается получение постоянного тока, который можно будет преобразовать в переменный с помощью полупроводникового инвертора.
Термоядерная энергия, полученная и преобразованная по такой технологии, избавит электростанции будущего от паровых котлов, газовых турбин и синхронных генераторов. Будет получен источник постоянного тока, с помощью термоядерного реактора преобразован инвертором в переменный, а дальше будут использованы трансформаторы и линии электропередачи.
В настоящее время трудно определить, какой из научных прогнозов использования термоядерной энергии получит практическую реализацию, это покажет будущее.