По пътя към термоядрената енергетика, т.е. измъкването от енергийната зависимост

На 17.05.2009 г., Кристофър Люелин Смит (професор от Оксфордския университет и председател на Съвета на ИТЕР) прочете следната лекция:

На въпроса „Кога ще се появи термоядрената енергетика?” Лев Арцимович, признатият пионер и лидер на изследванията в тази област, беше отговорил, че „тя ще бъде създадена, когато стане наистина необходима на човечеството”. Във връзка с този отговор аз и искам да обсъдим някои свързани с термоядрената енергетика проблеми:

·        Защо тя е необходима изобщо?

·        Кога възникна нейната необходимост?

·        Кога термоядрената енергетика ще стане реалност?

Енергетическото предизвикателство и потребността от термоядрена енергия:

         „Енергетическото предизвикателство” възникна в резултат от съчетаването на следните 3 фактора:

         1. Човечеството сега потребява огромно количество енергия.

Понастоящем потреблението на енергия в света представлява около 15,7 теравата. Ако разделим тази величина на населението на планетата, ще получим примерно 2400 вата на човек, което лесно може да си представим и оценим. Използваната от всеки жител на Земята (включително и децата) енергия съответства на денонощната работа на 24 стоватови лампи. Обаче потреблението на тази енергия по планетата е много неравномерно, тъй като то е много голямо в няколко страни и нищожно в други. Потреблението отнесено към един човек е 10,3 квт в САЩ (една от рекордните стойности), 6,3 квт в Руската федерация, 5,1 квт във Великобритания и т.н., но от друга страна, то е само 0,21 квт в Бангладеш (т.е. всичко 2 % от нивото на енергопотребление в САЩ!).

2. Световното потребление на енергия драматично нараства.

По прогноза на Международната агенция по енергетика от 2006 г. световното потребление на енергия към 2030 г. ще трябва да се увеличи с 50 %. Развитите страни разбира се биха могли да се справят прекрасно и без допълнителна енергия, но този ръст е необходим, за да се избави от нищетата населението на развиващите се страни, където 1,5 милиарда души изпитват остър недостатък от електрическа енергия.

3. Понастоящем 80 % от потребяваната от света енергия се създава за сметка на изгарянето на изкопаемите природни горива (нефт, въглища и газ), използването на които:

а) потенциално носи опасност от катастрофални екологични изменения;

б) неизбежно трябва все някога да приключи.

Във връзка с това, естествено, възникват следните сериозни въпроси:

Колко време още може да продължи използването на природните горива, особено с отчитане на възможните изменения в климата на планетата? Какви действия сме длъжни и можем да предприемем за това време?

При жителите на Саудитска Арабия е популярна следната шега: „Моят баща се е возил на камила. Аз съм се снабдил с автомобил, а моят син вече управлява самолет. Но пък неговият син отново ще седне на камила”. Много е вероятно, нещата да стоят точно така, доколкото по всички сериозни прогнози запасите от нефт в света ще привършат в основни линии примерно след 50 години. Даже въз основа на оценките на Геоложката служба на САЩ (а тази прогноза е значително по-оптимистична от останалите) ръстът на световния добив на нефт ще продължи не повече от близките 20 години (други специалисти пресказват, че пикът на добива ще бъде достигнат още след 5 – 10 години), след което обемът на добивания нефт ще започне да намалява със скорост около 3 % на година.

Перспективите за добив на природен газ не изглеждат много по-добри. Обикновено казват, че каменните въглища ще ни стигнат за още 200 години, но тази прогноза се основава на запазване на съществуващото ниво на добиване и разход. Междувременно потреблението на  въглища сега нараства с 4,5 % годишно, което ще съкрати споменатия период от 200 години на всичко 50 години!

От казаното става ясно, че още сега ние трябва да се готвим за приключване на епохата на използването на изкопаеми типове горива.

Говорейки за изменението на климата, си струва да напомним, че попадащият в атмосферата въглероден диоксид СО2 ще се запази в нея за столетия, така че да се борим против неговото въздействие трябва да започнем още днес! Много е вероятно, човечеството да прахоса последните останки от изкопаемите горива през близкото столетие и затова единствено средство за спешна борба с драматичното изменение на климата могат да станат методите, означавани с абревиатурата CCS (Carbon Capture and Storage), основаващи се на улавяне на произвеждания от елекстоцентралите и крупните заводи СО2 и неговата по-нататъшна изолация. Ясно е, че всяка програма от такъв тип ще бъде много сложна и скъпо струваща.

 От реалните действия при подготовка за приключване на епохата на използване на изкопаеми горива можем да отделим следните:

1.     Съществено намаляване на нивото на потребление на енергия.

Този път предполага повишаване на ефективността на вече съществуващите методи за получаване, пренасяне и използване на енергията. Разбира се, внедряването на такива подобрения на режимите на работа ще наложат начални финансови вложения, но те трябва да се изплатят в далечна перспектива. Още сега могат да се посочат достъпни методики за сериозно спестяване на енергия (например, за сметка на повишаване на ефективността на двигателите на транспортните средства, рационализиране на методите за строителство и т.н.). Лично аз приемам, че повишаването на ефективността на използване на енергията само незначително ще съкрати ръста на потреблението й в световен мащаб, а реалното решение на проблема може да бъде намерено само по пътя на намаляване на огромното различие в жизненото ниво на населението в развитите страни и страните от третия свят. Тези страни се наричат развиващи се, а втях милони хора отчаяно се нуждаят поне от някакво подобряване на условията за живот (особена острота на проблема придава фактът, че населението на бедната част на света ще се увеличи към 2030 година примерно с още 30 %).

2.     Развитие и расширяване на мащабите на използване на други енергийни източници.

По груби оценки, понастоящем делът на разните източници в световното производство на енергия е следният:

·        изкопаеми горива – 80 %

·        изгаряне на отпадъци и биомаса – 10 %

·        атомни елетроцентрали – 5 %

·        хидроцентрали – 5 %

·        други източници (вятър, слънчеви батерии, геотермални и морски съоръжения и т.н.) – 0,5 %.

Приведениете числа нагледно показват, че алтернативните източници на енергия засега практически са неспособни принципно да заместят огромното количество получавана от изкопаемите горива енергия (13 теравата), което се обяснява с редица причини.

По моите най-оптимистични оценки, максималното количество енергия (в указания топлинен еквивателнт), създавано от изброените източници, представлява всичко 3 ТВт (от вятъра), 1 ТВт (ВЕЦ), 1 ТВт (биологични източници) и 100 ГВт (геотермални и морски съоръжения). Сумарното количество на допълнителната енергия (дори и в тази най-оптимална прогноза) представлява само 6 ТВт. При това си струва да отбележим, че разработването на новите енергийни източници е много сложна техническа задача, тъй като стойността на произвежданата от тях енергия във всеки случай ще бъде по-висока, отколкото при обикновеното изгаряне на въглища и т.н. С други думи се наблюдяава огромно различие между най-светлите прогнози за възможностите на новите източници (6 ТВт) и съответните потребности (13 ТВт), които, освен всичко друго, имат явната тенденция към непрекъснат ръст.

Съвършено очевидно е, че човечеството е длъжно да търси някакви други източници за енергия, в качеството на каквито в сегашно време можем да разглеждаме само Слънцето и реакциите на термоядрения синтез.

По принцип, потенциално нашето Слънце представлява от само себе си практически неизтощим изочник на енергия. Количеството енергия, попадащо общо на 0,5 % от повърхността на планетата е еквивалентна на 19 ТВт (даже при условие на преобразуването й с ефективност 15 %). Проблемът се заключва в нашето неумение на уловим и преобразуваме тази енергия, което е свързано както с високата стойност на слънчевите батерии, така и с проблемите на натрупване, запазване и по-нататъчно пренасяне на получаваната енергия към съответните региони.

„Концентрацията” на слънчева енергия, осъществявана с параболични огледала и хелиостати, позволява да се фокусира слънчевото излъчване и да се произвежда топлина, обаче при това възникват сложните проблеми на нейното съхранение (например, използването в качество на топлоносител на разтворени соли се усложнява поради различието в дневните/нощните температури и т.н.). Ако на учените се отдаде да създадат вещества, позволяващи да се повиши работната температура на хелиостатите до нуждите на „каталитичното разлагане” на водата, то такива системи биха могли да произвеждат водород, което в значителна степен би решило проблема за натрупване на енергията. От друга страна, вече са създадени (и се произвеждат търговски) фотогалванични елементи с ефективност по-висока от 15 % и макар че тяхната стойност засега остава висока, те вече се прилагат както за електролитно производство на водород, така и в качеството им на източници на ток.

Урановите ресурси:

Понастоящем в атомните електростанции в широки машаби се получава енергия, отделяща се при реакциите на деление на атомните ядра. Мисля, че следва да се поощрява всячески създаването и развитието на такива станции, обаче при това е необходимо да се отчита обстоятелството, че запасите на един от най-важните за тяхната работа материал (евтиния уран) също могат да бъдат напълно изразходвани в течение на близките 50 години. Възможностите за основаващата се върху ядрения разпад енергетика могат (и трябва) да бъдат съществено разширени за сметка на използване на по-ефективни енергетични цикли, позволяващи почти да се удвои количеството на получаваната енергия. За развитието на енергетиката в това направление трябва да се създават реактори с торий (така наричаните ториеви бридерни реактори или реактори-размножители), в които при реакцията възниква повече торий, отколкото изходен уран, в резултат на което общото количество на получваната енергия при зададено количество вещество нараства 40 пъти.

Перспективно е също създаването на плутониеви бридери с бързи неутрони, които са значително по-ефективни от урановите реактори и позволяват да се получава 60 пъти повече енергия. Може би за развитието на тези направления ще се наложи да се разработят нови, нестандартни методи за получаване на урана (например, от морска вода, което е най-достъпното).

Още едно важно направление за развитие представлява използването на ядрения синтез (сливане на ядрата), което сега настъпва в качеството на основна надежда за спасение, макар че перспективите на успеха за неговото използване все още остават неопределени. Именно на тази тема е посветена дадената лекция.

Ядреният синтез.

Ядреният синтез, който представлява основата за съществуването на Слънцето и звездите, потенциално представлява неизтощим източник на енергия за развитието на Вселената въобще. Експериментите, провеждани във Великобритания в рамките на програмата Joint European Torus (JET), представляваща една от водещите изследователски програми в света, показват, че ядреният синтез може да обезпечи не само текущите енергетични потребности  на човечеството (16 ТВт), но и значително по-голямо количество енергия.

Какво е това ядрен синтез?

Процеси на ядрения синтез наричаме реакциите на сливане на леките атомни ядра в по-тежки с отделянето на известно количество енергия. Сред тях трябва да отбележим преди всичко реакцията между двата изотопа (деутерий и тритий) на много разпространения на Земята водород, в резултат от която се образува хелий и се отделя неутрон. Реакцията може да бъде записана в следния вид:

D + T → 4He + n + энергия (17,6 MэВ)          (1)

Отделената енергия (възникваща от това, че хелий-4 има много силни ядрени връзки) се превръща в обикновена кинетична енергия, разпределена между неутрона и ядрото на хелий-4 в пропорция 14,1 MеВ : 3,5 MеВ , като се има предвид, че това е 10 милиона пъти повече отколкото при химическите реакции, напр. при изгаряне на изкопаемите горива (1 ГВт-ова въглищна ТЕЦ би използвала 10,000 тона въглища на ден, а термоядрена централа би използвала само 1 кг деутерий + тритий).

За иницииране (запалване) на реакцията на синтеза (1) е необходимо да се нагрее газ от сместа деутерий и тритий до температура по-висока от 100 милиона градуса Целзий (означаваме за краткост 100 М°C), което е примерно десет пъти повече отколкото температурата в центъра на Слънцето. Още при температура няколко хиляди градуса междуатомните сблъсъци водят до изхвърляне на електрони от атомите, в резултат на което се образува смес от разделени атоми и електрони, известна под названието плазма, в която положително заредените и високоскоростни деутрони и тритони (т.е. ядрата на деутерия и трития) изпитват силно взаимно отблъскване.

Въпреки това високата температура (и свързаната с това висока скорост) заставят тези ядра да се сблъскат едно с друго. При температура по-висока от 100 M°C най-„енергетичните” деутрони и тритони се сближават при сблъсъците на толкова близки разстояния, че между тях започват да действат мощни ядрени сили, заставящи ги да се сливат едно с друго в едно цяло.

Осъществяването на този процес в лаборатория е свързано с 3 много сложни проблема.

Преди всичко газовата смес от ядрата на D и T трябва да се нагрее до температури по-високи от 100 M°C, предотвратявайки по някакъв начин нейното охлаждане и зацапване (поради реакции със стените на съда). За решаването на тази задача бяха измислени „магнитните капани”, получили названието „токамак”, които предотвратяват взаимодействието на плазмата със стените на реактора. В описвания метод плазмата се нагрява чрез електрически ток вътре в тора примерно до 3 М°C, което обаче се оказва все още недостатъчно за иницииране на реакцията. За допълнително нагряване на плазмата в нея или се „напомпва” енергия от радиочестотно излъчване (както в микровълновата печка), или се облъчва със снопове от заредени или неутрални частици с висока енергия, които при сблъсъците предават своята енергия на плазмата. Освен това, отделянето на топлина става за сметка на самите термоядрени реакции (което ще разгледаме по-нататък), в резултат на което в достатъчно голяма уредба трябва да се осъществи „запалването” на плазмата.

Откривателите на концепцията за „токамак” са руските учени Игор Евгениевич Тамм (1895-1971) и Андрей Дмитриевич Сахаров (1921-1989).

Понастоящем (2009) във Франция започна строителството на описвания по-долу международен експериментален термоядрен генератор ITER (International Tokamak Experimental Reactor), който ще бъде първият токамак, способен да „запали” плазмата.

В най-напредничавите съществуващи уредби от типа „токамак” отдавна са достигнати температури от порядъка на 150 M°C, близки до стойностите, необходими за работа на термоядрената станция, обаче реакторът ITER трябва да стане първата крупномащабна енергетична уредба, пресметната за продължителна експлоатация.

По-нататък е необходимо да се осъществи подобряване на параметрите й на работа, което ще наложи на първо място повишаване налягането в плазмата, тъй като скоростта за сливане на ядрата при зададената температура е пропорционална на квадрата на налягането. Основният научен проблем при това е свързан с обстоятелството, че при повишаване на налягането в плазмата възникват много сложни и опасни неустойчивости, т.е. нестабилни режими на работа.

 (08.04.2014)

Възникващите при реакцията на синтеза електрически заредени ядра на хелия се задържат вътре в „магнитния капан”, където постепенно се забавят за сметка на сблъсъците с другите частици, при което отделящата се при сблъсъка енергия помага да се поддържа високата темперетура на плазмения шнур.

Неутралните (не притежаващи електрически заряд) неутрони напускат системата и предават своята енергия на стените на реактора, а приеманата от стените топлина се и явява източник на енергия за работа на турбините, изработващи електричество.

Проблемите и сложността на такава уредба са свързани преди всичко с това, че мощният поток от високоенергийни неутрони и отделящата се енергия (във вид на електромагнитно излъчване и частици от плазмата) сериозно въздейства върху реактора и разрушава материалите, от които той е създаден.

Вторият основен проблем се състои в осигуряването на висока чкост на конструктивните материали на реактора при продължително (в течение на няколко години) бомбандиране с неутрони и под въздействие на топлинния поток,

Поради тези проблеми конструкцията на термоядрените уредби е много сложна; третият и може би най-главен проблем се състои в обезпечаването на висока надеждност на тяхната работа.

Проектирането и построяването на термоядрените станции изисква от физиците и инженерите решаването на цяла редица от разнообразни и много сложни технологични задачи.

Термоядрените електростанции

На фиг. 1 е представена принципната схема (без спазване на мащаба) на устройството и принципа на работа на една термоядрена електростанция. В централната част е разположена тороидалната камера (във форма на геврек) с обем около 2000 м3, запълнена с тритиево-деутериева (Т-D) плазма, нагрята до температура над 100 M°C. Образуващите се при реакцията на синтеза (1) неутрони напускат „магнитния капан” и попадат в показаната на фигурата обвивка с дебелина около 1 м. (По принцип работата на термоядрената електростанция прилича на обикновените ТЕЦ и се различава от тях само по конструкцията на „пещта” и типа на горивото).

В обвивката неутроните се сблъскват с атомите на лития, е резултат на което възниква реакция с образуване на тритий:

неутрон + литий → хелий + тритий          (2)

Освен това в системата възникват и конкуриращи реакции (без образуване на тритий), а също и много реакции с отделяне на допълнителни неутрони, които след това също водят до образуване на тритий (при това отделянето на допълнителни неутрони може да бъде съществено засилено, например за сметка на въвеждането обвивката на атоми от берилий и олово).

Общият извод се състои в това, че в тази уредба може (най-малкото теоретично) да възникне реакция на ядрен синтез, при която ще се образува тритий. При това количеството на образувалия се тритий трябва не само да обезпечава нуждите на самата уредба, но и да бъде даже малко по-голямо, което ще позволи да се осигури тритий и за нови уредби. Именно тази концепция на функциониране трябва да бъде проверена и реализирана чрез създадения международен реактор  ITER.

Освен това неутроните трябва да загреят обвивката в така наречените пилотни уредби (в които се използват относително „обикновени” конструктивни материали) примерно до температура 400°C. В бъдеще се предполага да бъдат създадени усъвършенствани уредби с температура на нагряване на обвивката над 1000°C, което може да пъде постигнато за сметка на използване на най-новите високоякостни материали (от типа на композитите от силициев карбид). Отделящата се в обвивката топлина, както и в обикновените електростанции, се отнема от първичния охлаждащ контур с топлоносител (съдържащ например вода или хелий) и се предава на вторичния контур, където се произвежда водната пара, подавана на турбините.

Защо ни е необходимо това?

(Както вече беше казано) основното преимущество на ядрения синтез се състои в това, че в качеството на гориво за него се използва само съвсем малко количество от много разпространени в природата вещества. Реакцията на ядрения синтез в описаните уредби може да доведе до отделянето на огромно количество енергия, десет милиона пъти превишаваща стандартното топлоотделяне при обикновените химически реакции от типа на изгаряне на изкопаемото гориво.

Деутерият представлява устойчив изотоп на водорода; примерно в една от всеки 3350 молекули обикновена вода единият от атомите на водорода е заместен от деутерий (наследство останало от Великия взрив). Този факт позволява лесно да се организира достатъчно евтиното получаване на необходимото количество деутерий от водата. По-сложно е получаването на тритий, който е нестабилен (с период на полуразпадане около 12 години, вследствие на което неговото съдържание в природата е нищожно), но, както беше казано по-горе, тритият ще възниква директно в термоядрената уредба в процеса на работа, за сметка на реакцията на неутроните с лития (2).

По такъв начин изходното гориво за термоядрения реактор представляват литият и водата. Литият е обикновен метал, широко използван в битовите уреди (в батерийките за мобилните телефони например и др.). Описаната уредба, даже и при отчитане на неидеална ефективност, ще може да произвежда 200 000 квт/час електрическа енергия, което е еквивалентно на енергията, съдържаща се в 70 тона въглища. Необходимият за това количество литий се съдържа в една батерийка за компютър, а количеството деутерий – в 45 литра вода. Посочената по-горе величина съответства на потреблението от електроенергия (изчислена за един човек) в страните на Европейския съюз за 30 години. Самият факт, че толкова нищожно количество литий може да осигури изработката на такова количество електроенергия (без изхвърляне на CO2 и без най-малко зацапване на атмосферата), представлява достаъчно сериозен аргумент за най-бързото и енергично развитие на термоядрената енергетика (незвисимо от всички сложности и проблеми) и даже без 100-процентова увереност в успеха на такива изследвания.

Деутерият ще стигне за милиони години, а запасите от лесно добивания литий са напълно достатъчни за обезпечаването на потребностите в продължение на стотици години. Даже и ако запасите на литий в горните земни слоеве привършат, ние можем да го добиваме от водата, където той се съдържа в достатъчно висока концентрация (100 пъти превъзхождаща концентрацията на урана), така че неговият добив да бъде икономически целесъобразен.

Термоядрената енергетика не само обещава на човечеството по принцип възможността за производството на огромно количество енергия в бъдеще (без изхвърляне на CO2 и без зацапване на атмосферата), но и притежава редица други достойнства, които ще изброим по-долу.

1. Висока вътрешна безопасност.

Използваната в термоядрените уредби плазма има много ниска плътност (примерно милион пъти по-ниска от плътността на атмосферата), вследствие на което работната среда на уредбите никога няма да съдържа в себе си енергия, достатъчна за възникване на сериозни произшествия или аварии. Освен това, зареждането с „гориво” трябва да се извършва непрекъснато, което позволява лесно да се спира нейната работа, имайки предвид и това, че в случай на авария и рязко изменение на околните условия термоядреният „пламък” просто ще изгасне.

В какво се състоят свързаните с термоядрената енергетика опасности?

Първо, струва си да се отбележи,  че макар че продуктите от синтеза (хелий и неутрони) не са радиоактивни, обвивката на реактора при продължително неутронно облъчване може да стане радиоактивна. Обаче при подбора за обвивката на материали със зададени свойства може да се обезпечи разпад на радиоактивните продукти с период на полуразпад от порядъка на 10 години, а пълната замяна на всички компоненти би могла да отнеме 100 години. В случай на пълен отказ от охлаждане радиоактивността на стените ще продължи да отделя топлина, но максималната температура ще бъде значително по-ниска от тази стойност, при която уредбата би се разтопила.

Второ, тритият представлява радиоактивен елеменъ и има относително нисък период на полуразпад (12 години). И въпреки че обемът на използваната плазма е значителен, поради нейната ниска плътност там се съдържа само много малко количество тритий (с общо тегло примерно колкото 10 пощенски марки). Затова, даже и при най-тежки ситуации и аварии (пълно разрушаване на обвивката и отделяне на целия съдържащ се в нея тритий, например при земетресение или падане на самолет върху станцията), в околната среда ще постъпи само незначително количество гориво, което няма да наложи евакуация на населението от най-близките населени пунктове.

2. Стойност нас енергията

Очаква се така наречената „вътрешна” цена на получаваната електроенергия (себестойността на самото производство) да стане приемлива, ако представлява 75 % от вече съществуващите на пазара цени. Този проблем обаче изисква сериозно обсъждане, поради което въпросът за ценообразуването се разглежда отделно.

„Приемнливостта” в даедния случай означава, че цената ще бъде по-ниска от цената на енергията, получавана с използване на старите въглеводородни горива. „Външната” цена (странични ефекти, въздействие върху здравето на населението, климата, екологията и т.н.) ще бъде по същество равна на нула.

Защо създаването на термоядрените уредби толкова се забави?

. . . . .

(продължава)