Техника - молодёжи 1989-07, страница 33

(OTP). О нем был сделан доклад на четвертой Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, январь 1988 г.), в которой участвовал и ряд иностранных ученых.

В OTP ставится целью самоподдер жание реакции на таком уровне, чтобы отношение полезного выхода энергии к затраченной (обозначается Q) было больше или по крайней мере равно еди нице Q=l. Это условие — серьезный этап отработки всех элементов системы на пути создания коммерческого реактора с Q>5. По имеющимся оценкам, лишь при этом значении Q достигается самоокупаемость термоядерного энергоисточника, когда оправдываются расходы на все обслуживающие процессы, включая и социально-бытовые затраты. А пока что на американском TFTR достигнуто значение Q=0,2—0,4

По существу, с разработкой OTP и подобных ему реакторов в других странах начинается непосредственное физи-ко техническое и технологическое созда ние индустрии термояда. Тут уже виден целый букет сложнейших задач, но возможны, конечно, и непредусмотренные осложнения. Нечего и думать в одной статье хотя бы бегло охарактеризовать все возникающие здесь проблемы, поэтому остановимся на двух наиболее трудных, предусматривающих поистине пионерскую деятельность в технике и технологии,— создании первой стенки и бланкета реактора.

Первая стенка — то есть оболочка тороидальной вакуумной камеры — самая напряженная, буквально многострадальная часть всей конструкции В OTP ее объем примерно 300 м , а площадь поверхности около 400 м^г. Стенка должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять атмосферному давлению и механическим силам, возникающим от магнитного поля, и достаточно тонкой, чтобы без непомерного перепада температур отводить тепловые потоки от плазмы к воде, циркулирующей на внешней стороне тороида. Ее оптимальной толщиной считается примерно 2 мм. В качестве материалов выбраны аусте-нитные стали либо никелевые и титановые сплавы. Намечаемый срок службы первой стенки OTP — не менее 10 лет. За это время она, не теряя прочности, должна пропустить около 10 нейтро-иов/м² и выдержать 300 тыс. импульсов плазмы длительностью 600 с каждый

Бланкет — слой, поглощающий нейтроны, окружающий тороид с внешней стороны. Средняя оценочная толщина этого слоя — один метр. Бланкет будет состоять из 12 секций, причем 10 секций должны быть изготовлены из эвтектического сплава 17% лития+83% свинца, в котором свинец будет замедлителем нейтронов, а литий — материалом для наработки трития (до 80 г в сутки). Из них три секции будут использованы для обратной связи с целью подогрева плазма и две - для контроля параметров плазмы по нейтронному потоку Наконец, еще две относительно тонкие сек

ции из урана-238 предназначены для наработки под воздействием быстрых нейтронов горючего для атомных электростанций.

Запуск OTP в номинальном режиме планируется в самом начале XXI века

Среди иностранных докладов на Ленинградской конференции отметим доклад Евратома о последних экспериментах на JET н о планируемой установке NET (Next Europeus Тог), во многом сходной с OTP и, по видимому, конкурирующей с ним. Полезность такой конкуренции очевидна. Как и OTP, это следующее поколение токамаков после JET и Т-15.

NET предполагается соорудить в течение 1994 — 1999 годов. Первый этап исследований планируется провести за 3—4 года, отработав около 70 тыс. импульсов длительностью по 200 с, а потом поднять мощность реакции, доведя поток энергии на первую стенку до 1 МВт/м².

Говорят и о следующем поколении после NET — это уже «настоящий» термоядерный реактор, условно названный DEMO. Впрочем, не все пока ясно даже и с NET, поскольку есть планы сооружения нескольких международных установок.

Мы проследили термояд «завтра» до конца XX и даже до начала XXI века. Здесь уже многое запланировано и предопределено Такое предсказуемое «завтра», видимо, кончится с пуском «настоящего» реактора. А что дальше — это уже во многом из области фантастики..

Во всяком случае, понятно, что дальше на выбранном пути возможны нема лые сюрпризы — ведь токамаки, несмотря иа свои достоинства и международную популярность, имеют ряд недостатков, способы преодоления которых до конца не ясны.

Можно попытаться пересмотреть одну из основ конструкции реактора — сложную тяжелую сверхпроводящую магнитную систему, работающую пока что лишь при температуре жидкого гелия. Ведь техника, как и природа, долго не терпит мастодонтов, так что обязательно начнут искать пути миниатюризации и этой системы. Тут возникают различные проблемы.

Например, можно думать о создании соленоида из высокотемпературного сверхпроводника, желательно работающего при комнатной температуре или даже выше. Сейчас, как известно, на этом пути получены обнадеживающие результаты, хотя об их техническом применении речи еще нет

Но плохо то, что соленоид магнитного термоядерного реактора чрезвычайно металлоемок. Расчеты показывают, что вес меди в OTP с «теплыми» обмотками составит около 10 тыс. т, а самое глав ное — не спасут и сверхпроводники, для которых меди потребуется всего в два раза меньше. Если же рассматривать коммерческий реактор XXI века, то вес медного соленоида может достигнуть и 100 тыс. т! А сколько потребуется

таких реакторов? И возможно, медный голод заставит вообще отказаться от магнитного термояда. Правда, есть надежда заменить медь алюминием, но конкретных проработок еще нет.

Может быть, придется уделить гораздо больше внимания альтернативным системам, прежде всего стелларато-рам — ближайшим родственникам токамаков, обладающим рядом преимуществ перед ними, а затем обратиться и к лазерному либо пучковому термояду, имеющим свои специфические достоинства и недостатки.

Ну а если заглядывать еще дальше, можно подвергнуть сомнению основу основ — реакцию синтеза дейтерий — тритий. Тут дело уже не в конструкциях реакторов, а в том, что для утилизации энергии нейтронов — основного продукта этой реакции — в любом случае требуется тепловой цикл с его низким КПД.

В числе альтернативных процессов производства термоядерной энергии представляет интерес реакция дейтерия с гелием-три, идущая по схеме: Д+³Не — ⁴Не* +р" .

Очень важно, что все продукты реакции заряженные, поэтому легко решаются проблемы и радиационной безопасности, и самоподдержания реакции, и непосредственной трансформации термоядерной энергии в электрическую. Однако есть тут и ряд недостатков.

Прежде всего реакция Д+³Не дает положительный выход энергии лишь при температуре более 650 млн. градусов. Одновременно критерий Лоусона (2п) возрастает здесь до 10²⁰ с/м Это немалое ограничение; но если лет 20 назад о температуре 100 млн. градусов говорили как о мечте, то теперь, когда на токамаке уже достигнута температура в треть миллиарда градусов, то и целый миллиард кажется не таким уж недоступным.

Страшнее другое. Природа, принципиально «разрешив» столь выгодную реакцию, отказала нам в нужном топливе: гелия-три на Земле нет, а получать его из ядерных реакций не выгодно. Но вот в лунных породах этого изотопа предостаточно, он заносится туда солнечным ветром как продукт водородной ядерной реакции в недрах Солнца. Можно, пожалуй, предложить дискуссию: что важнее — полететь, например, на Марс или построить на Луне завод по добыче гелия-три?

Конечно, лунный гелий может оказаться слишком дорогим (принципиальная возможность его доставки не вызывает сомнений). Тогда придется все же попробовать паллиатив - использовать реакцию Д-(-Д, в одной ветви которой образуется ³Не.

Конечно, и этим пока фантастическим-вариантом не исчерпываются возмож ности реакций термоядерного синтеза. Жнзиь идет вперед, открываются новые горизонты. Несомненно лишь одно: термоядерный синтез — реальность XXI века, но на его пути в большую энергетику еще много перепутий.

31