Мирнов Енергия из воды 2007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

С.В. Мирнов

ЭНЕРГИЯ ИЗ ВОДЫ

Рекомендовано к изданию УМО «Ядерные физика и технологии»

МОСКВА 2007

УДК 620.92: 621.039.6 ББК 31.49 М 63

Мирнов С.В. ЭНЕРГИЯ ИЗ ВОДЫ. М.: МИФИ, 2007. – 128 с.

Книга представляет собой популярное издание, которое вводит читателя в сегодняшние проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС). Главная из них – создание Интернационального термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) полупромышленного масштаба с тепловой мощностью 500 МВт во Франции силами международного сообщества. Свою задачу автор видел в том, чтобы ввести непосвященного читателя в круг вопросов, связанных с промышленным освоением термоядерной энергии.

Книга рассчитана на школьников старших классов, интересующихся физикой и состоянием окружающей нас среды, а также на студентов первых курсов, выбирающих для себя направление будущей трудовой деятельности.

Подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. Н.Г. Ковальский

ISBN 978-5-7262-0872-5

©Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2007

Редактор Т.В. Волвенкова

Подписано в печать 15.11.2007. Формат 60х84 1/16.

Объем 8,0 п.л. Уч.-изд.л. 8,0. Тираж 700 экз. Изд. № 2/5. Заказ № 0-648

Московский инженерно-физический институт (государственный университет). 115409, Москва, Каширское ш., 31.

Отпечатано в типографии издательства «Тровант», г. Троицк.

Введение

Эта книга про управляемый термоядерный синтез (УТС) – неисчерпаемый энергетический резервуар будущего Человечества. Но только ли будущего? Экономисты скептики убеждают нас сегодня, что управляемый термоядерный синтез как источник энергии пока еще не нужен Большой энергетике. Еще вдоволь газа, нефти и нецелесообразно тратить серьезные средства на затянувшуюся историю с управляемым термоядерным синтезом. Глобальное потепление как следствие сжигания углеводородов? Но ведь есть еще компетентные люди, которые его не признают, полагая происходящие климатические катаклизмы нормальными флюктуациями около равновесного уровня. Другое дело неуправляемый синтез – термоядерное оружие. Для государственных лидеров его необходимость неоспорима. Пять стран имеют его сегодня и намерены совершенствовать далее.

В подобных рассуждениях есть доля истины – управляемый термоядерный синтез пока что удел науки. Где мы находимся сегодня? Каков масштаб усилий?

Предполагаемая стоимость ныне сооружаемого Интернационального термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) полупромышленного масштаба с тепловой мощностью 500 МВт должна составить около 5 миллиардов долларов. Его строительство ведется во Франции силами солидного международного сообщества. Строительство начато в 2007 г. и должно быть закончено приблизительно в 2017 г. То есть при среднем уровне затрат около $500 млн в год. Эти затраты будут разделены между странами-участниками термоядерного альянса: Объединенной Европой, Россией, Японией, США, КНР, Южной Кореей и Индией. На долю нашей страны придется $50 млн в год. В июле 2007 г. Президент Российской Федерации подписал соответствующий Закон.

Много это или мало? По меркам фундаментальной физической науки очень много – годовой бюджет серьезной футбольной команды. Но экспериментальный термоядерный реактор не только прибор для физических исследований, это еще

3

и целый букет технологических решений для будущей промышленной энергетики, а там ставки другие.

Напомним: $2 млрд в день – масштаб сегодняшних общемировых военных расходов, которые, как известно, призваны обеспечивать мировой экономический и политический правопорядок. Цена одного американского авианосца, такого как «Нимитц», из боевой группы, обеспечивающей в Персидском заливе нефтяные коммуникации Запада, около $5 млрд. Подобных авианосцев в мире около двадцати. Кажется, что одним можно было бы и пожертвовать ради будущей энергетики. Но так кажется только гражданским лицам.

Решение о строительстве ИТЭР принималось долго и мучительно. Ему предшествовала примерно пятилетняя работа по созданию технического Проекта и почти семь лет переговоров о масштабах и месте строительства. Описание сложных перипетий этого процесса, в котором России выпало сыграть одну из решающих ролей, интересующийся читатель сможет найти в книге Льва Григорьевича Голубчикова «ИТЭР-решающий шаг» [1].

Сегодня строительство начато. В 2017 году предполагается начать первые физические эксперименты. Должен разочаровать читателя, ИТЭР еще не промышленный реактор управляемого синтеза и даже не его прототип. ИТЭР − физическое устройство, позволяющее полномасштабно моделировать «горячую зону» термоядерного дейтерий-тритиевого реактора. Научная и техническая информация, полученная в ходе такого моделирования, необходима для создания прототипа термоядерной электростанции – стационарно работающего реактора, получившего у специалистов название ДЕМО.

Правда, заранее не исключено, что при благоприятном стечении обстоятельств переход от ИТЭР к ДЕМО можно будет произвести путем очередной модернизации ИТЭР.

Почему была принята именно такая схема действий, что необходимо исследовать, а что испытывать, что может помешать реализации планов – основные вопросы, на которые автор пытался ответить в этой книге.

4

Очевидно, что при этом автору было трудно отказаться от пристрастий. Дело в том, что на каждый предмет существует, по крайней мере, две точки зрения – «со стороны » и «изнутри». Взгляд автора − «изнутри», с позиции тех, кто занимается практическим созданием и исследованием горячей плазмы в замкнутых ловушках с тороидальным током (токамаках). Подобная точка зрения «изнутри» более адекватна в передаче динамики событий, но, возможно, иногда бывает лишена широты «поля зрения», характерного для наблюдения «со стороны».

Все предыдущие годы динамика термоядерных исследований носила существенно нарастающий положительный характер, а, как известно, информационный сигнал распространяется в научном сообществе с конечной скоростью и доходит даже до некоторых «маститых» специалистов с большим опозданием. Отсюда относительный оптимизм наблюдателей «изнутри» по сравнению с наблюдателями «со стороны» и суждения «времен Очакова и покоренья Крыма», которые иногда позволяют себе вполне уважаемые авторитеты «со стороны» в адрес тех или иных быстро прогрессирующих научных направлений.

Возвращаясь к управляемому термоядерному синтезу, следовало бы привести в качестве положительного примера популярной публикации на эту тему книжку Геннадия Степановича Воронова «Штурм термоядерной крепости», опубликованную в 1985 г. в издательстве «Квант» [2]. Эта книжка, написанная автором «изнутри», живо изображала ситуацию того времени. С тех пор в управляемом синтезе произошли существенные перемены. В разных странах в строй вступило и «отработало свое» целое поколение новых экспериментальных установок − «больших» токамаков ( JET, JT60, TFTR, T-15), вступил в строй «большой» стелларатор LHD. Лучшие из них ( JET, JT-60) вышли на уровень «перевала» − равенства достигнутой мощности ДТ-синтеза и мощности внешнего подогрева горячей плазмы. Абсолютный уровень мощности ДТ-синтеза достиг при этом 16 МВт – уровня тепловой мощности первой атомной электростанции. Этот успех был положен в основу создания ИТЭР. Стеллараторы, на которые в

5

книжке Воронова возлагались большие надежды, также продемонстрировали положительную динамику развития, хотя и более скромную, чем токамаки.

С другой стороны, существенно увяли энергетические амбиции инерциального синтеза, копирующего в микро масштабе взрыв водородной бомбы. А именно, стало очевидно, что практический результат, на который может претендовать это направление в обозримом будущем, − моделирование взрыва термоядерной бомбы. В условиях запрещения ядерных испытаний такая возможность, несомненно, актуальна для специалистов оборонных отраслей физической науки, но далека от нужд промышленной энергетики.

Серьезную эволюцию претерпела также концепция открытых магнитных ловушек. Область их возможного практического применения сузилась до рамок исследовательских нейтронных источников, которые при благоприятном стечении обстоятельств могут быть использованы в материаловедческих целях для изучения поведения конструкционных материалов реактора в мощных стационарных потоках быстрых нейтронов. Эта, на первый взгляд технологическая задача, остается одной из критических на пути промышленного внедрения термоядерного синтеза.

Таким образом, при «штурме термоядерной крепости» произошло очевидное смещение акцентов. Передовые штурмовые отряды уже поднялись в одном месте на ее «стены», но «город» еще не взят. Почему не взят, как предполагается осуществлять это взятие, что мы надеемся получить в итоге − вопросы, на которые автор также попытался дать ответ в этой книге.

Наконец, автор считает необходимым разоблачить некоторые мифы, касающиеся термоядерного синтеза. Вопервых, о его якобы абсолютной радиационной чистоте. Главный энергетический продукт ДТ синтеза (а именно о нем будет идти речь) − быстрый 14-МэВ нейтрон, безусловно, будет вызывать активацию конструкционных материалов реактора. Другое дело, что радиационная опасность реактора синтеза на 1−2 порядка

6

меньше соответствующей опасности реактора деления, но она не пренебрежимо мала.

Следующий миф о бесплатной энергии синтеза (вода, ведь, ничего не стоит!). Помимо затрат на получение дейтерия и трития необходимо будет учесть амортизацию реакторного оборудования в том числе в ходе «сгорания» конструкционных материалов реактора под действием нейтронной бомбардировки. Очевидно, что реактору синтеза еще предстоит доказать свою экономическую эффективность. Другая крайность – миф об уже потраченных на синтез сотнях миллиардах долларов, распространяемый, как правило, изобретателями, предлагающими сделать все много дешевле и быстрее.

Даже в годы строительства больших установок суммарные мировые затраты на управляемый синтез не превышали $1млрд в год. Суммарные же затраты на токамаки, произведенные за 50 лет исследований, колеблются, согласно различным оценкам, составляют от $10 до 20 млрд. В процессе создания ИТЭР эти затраты, несомненно, возрастут, но масштабу деяния должен соответствовать масштаб усилий. В противном случае деяние превратится в долгострой.

Но можно ли достичь успеха прямо завтра, вдруг вложив в исследования сколь угодно большие средства? Тоже нет. Процесс движения к цели, как показывает опыт, предполагает последовательное преодоление определенных технических и физических препятствий, иногда очень сложных. Движение можно ускорить, но даже очень квалифицированным и способным людям для решения новых задач потребуется конечное время. Современные физики и инженеры, работающие в термоядерном синтезе, напоминают минеров, расчищающих в минных полях противника проходы, по которым завтра в случае наступления должны пройти мощные танковые части. Это дело требует времени и аккуратности.

Оставаясь в рамках популярной книжки, автор старался избегать громоздких математических формул и точных выражений в расчете на «доверчивого» читателя. Для читателя «придирчивого» автор поместил в конце Приложение 1, где привел сводку точных выражений основных плазменных

7

параметров, используемых в тексте. Чтобы избежать путаницы, связанной с одновременным применением практической (СИ) и СГС систем, выражения даны в обеих системах параллельно. При этом автор по традиции измеряет температуру в эВ (1эВ=11600 К), а магнитное поле в эрстедах либо теслах (полагая, что «ампер-витки на метр» скорее подходят для оперативного персонала электроподстанций, чем для физиков). Для читателя, интересующегося более досконально историей развития токамаков в нашей стране, приведено Приложение 2 «Токамаки в ИАЭ им. И.В.Курчатова», подготовленное автором по просьбе И.Н.Головина в 1992 г.

8

Энергия и мы

Вспомним из школьной хрестоматии пушкинские строчки: «Вся комната янтарным блеском Озарена. Веселым треском Трещит затопленная печь.

Приятно думать у лежанки. Но знаешь, не велеть ли в санки Кобылку бурую запречь? Скользя по утреннему снегу, Друг милый, предадимся бегу Нетерпеливого коня….»

Современному городскому жителю, молодому человеку пушкинской «весовой категории», то есть умеренного достатка, − уже не нужно топить печь – это делает за него теплоэлектроцентраль, ее теплофикационные турбины. И не нужно ждать солнца и снега, чтобы озарить комнату «янтарным блеском», достаточно щелкнуть выключателем. И не нужно никому ничего «велеть». Включил микроволновку, разогрел картошку с сосиской, чашку кофе, спустился на лифте с 12-го на первый, завел «коня» от 50 до 200 лошадиных сил – и на работу. По дороге позвонил «милому другу»: Как ты там? Купаешься? А у нас ночью снег выпал, пора на зимнюю резину переходить. Возвращаешься послезавтра? В три ночи? Домодедово? Поздравляю. Встречу, конечно...

Молодой человек «умеренного достатка» – винтик вселенского механизма. Кто-то его согрел, накормил, залил в бак бензин. Подобные же «винтики» того же механизма. И вперед, вперед! Дабы сохранить свой «умеренный достаток», достаток соседа, а то и преумножить их. Во что же это все обходится? В рублях, евро, таллерах? В отличие от финансистов у физиков универсальная шкала цен – в единицах энергии и мощности – джоулях, ваттах, калориях… Сегодня это обходится раз в сто дороже, чем Александру Сергеевичу. Масштаб почти римских цезарей. Правда, платить за это нашему молодому человеку приходится, в сущности, жизнью, временем, талантом, свободой, что тоже не маловажно. Александру Сергеевичу было легче – мог

9

позволить себе, как сказали бы сегодня, в рабочее время «предаться бегу нетерпеливого коня»…

А всего-то каких-то 170 лет прошло с той поры – миг по сравнению с тысячелетиями Истории человеческого существования.

Но каждому − свое. Отключи тепло, свет, закрой бензоколонки, выдай хлеб по карточкам – наш молодой человек ощутил бы все это, как конец света. А именно так и произойдет, отключи мы вдруг поток Энергии (очень хочется с большой буквы) нас согревающий и оберегающий.

Другая картинка (из жизни автора). Американская полупустыня – Аризона. Катим сквозь нее в автомобиле по «бетонке» со скоростью сильно за сто км. Работает кондишен – за бортом плюс пятьдесят, в кабине около двадцати. Остановились, вышли. Ужас, сауна. Присмотрелся к автомобилю – а под ним лужица. Катастрофа – не иначе как потек радиатор! Знатоки успокоили – нет, это водный конденсат из воздуха. В этом раскаленном воздухе Аризоны есть вода и ее можно на худой случай добыть, если под рукой есть энергия. Хотя бы автомобильного движка. Добывают проще. Качают насосами из глубоких скважин. Менее энергоемко.

Среди полупустыни с одинокими пальцами гигантских кактусов, уставившихся в небо, вдруг оазис – апельсиновый сад гектаров на триста. Белые человечьи домишки из алюминия на манер жилья полярников, дизельная электростанция (еще не солнечная!) и громадный бак, очевидно для солярки. Что заставляет людей забиваться в такую глушь? Выгодно. Два урожая в год. Есть энергия – есть вода. Солярка – копейки. Привозят цистерну в месяц. Энергия!

Из чего ее только ни добывают сегодня? Ну, конечно, это прежде всего нефть, газ, уголь − главные углеводородные топлива − 80% мирового энергопотребления. Еще есть сланцы, торф, говорят, даже верхний слой чернозема пытались срывать и сжигать. На одной крупной тепловой электростанции однажды случился конфуз – ночью вместо угля в топку разгрузили эшелон с сахарной свеклой. Вагоны однотипные, разгружаются автоматически – кто их ночью разберет. И не заметили бы, если

10