Проблеми енергетики (ядерні і термоядерні реактори)

План
1. Поділ ядер урану
2. Ядерні реактори
3. Світові енергетичні ресурси та необхідність вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу

Поділ ядер урану
Нейтрон — це ключ, який відкрив шлях до використання запасів внутрішньоядерної енергії. Тепер ми знаємо про нього багато: він не має заряду, його маса трохи перевищує масу протона, а всі атомні ядра являють собою щільне упакування із суміші протонів і нейтронів. Джеймс Чедвік, співробітник лабораторії Е. Резерфорда, відразу ж після відкриття нейтрона в 1932 році висунув гіпотезу про протонно-нейтронну структуру ядра. Ця гіпотеза цілком себе підтвердила й жодного разу не піддалася сумнівам.
Першим, хто відразу ж зрозумів, що нейтрон — це ідеальний засіб для дослідження ядерних реакцій, був великий італійський фізик Енріко Фермі. Головна відмінність і перевага нейтрона — його електронейтральність, що дозволяє йому безперешкодно проникати в ядра будь-яких навіть найважчих елементів.
Е. Фермі більше відомий як теоретик, однак Нобелівську премію він одержав за роботи з експериментальної фізики. Будь-яка з наукових спеціалізацій була для нього завузькою, він був натуралістом у найточнішому й найширшому розумінні цього слова. Така універсальність — якість для XX століття надзвичайно рідкісна — виявилася вкрай необхідною для вирішення проблеми атомної енергії, де кожен крок був кроком у невідоме.
Улітку 1934 року група молодих італійських фізиків (старшому — Е. Фермі — було лише 33 роки) захоплено експериментувала: вони опромінювали нейтронами різні елементи й спостерігали, що відбувається. Ідея їхніх дослідів полягала в одержанні штучних ізотопів. Дійсно, коли нейтрон поглинається яким-небудь ядром, воно перетворюється в ізотоп того ж елемента, що у свою чергу прагне позбутися зайвого нейтрона. Найпростіший шлях — перетворити нейтрон у протон, вивільнивши при цьому електрон. Коли відбувається такий р- розпад, утворюється ядро нового елемента, яке має заряд і масу на одну одиницю більші, ніж у вихідного ядра. За короткий період "команда Фермі" опромінила 68 елементів і синтезувала майже півсотні нових ізотопів.
Але головне відкриття чекало на них 22 жовтня 1934 року: нейтрони в сотні разів ефективніше захоплюються ядрами, якщо на шляху нейтронів установити шматок парафіну або опустити мішень під воду. Подив учених не проходив аж дві години -- доти, поки Фермі з властивою йому елегантністю не окреслив контури нового фізичного явища. Суть його надзвичайно проста: молекули води Н20 складаються з водню й кисню, а маса нейтрона практично дорівнює масі протона. Тому при зіткненні нейтрона з ядрами водню він швидко сповільнюється — у десятки разів швидше, ніж при зіткненнях з важкими ядрами, — а після цього легко вступає в ядерні реакції.
Подив звичайно є наслідком зіткнення несподіваних чинників з інерцією мислення. За багато років фізики звикли до думки, що ядро — це хоч і не підвладне відчуттям, але щось дуже міцне, і щоб його змінити, необхідно якнайсильніше розігнати снаряд — нехай це буде протон чи а-частинка. Із цією метою було навіть винайдено прискорювачі. А для нейтрона все виявилося навпаки: чим повільніше він рухався, тим легше ядра поглинали його. На відкриття ядерних реакцій, зумовлених повільними нейтронами, чекало велике майбутнє: без нього не можна було б запустити ядерний реактор. У 1938 році Енріко Фермі був удостоєний Нобелівської премії "За відкриття штучної радіоактивності, викликаної бомбардуванням повільними нейтронами".
Серед великої кількості елементів, які Е. Фермі зі своїми співробітниками опромінювали повільними нейтронами того літа 1934 року, був і уран, що займав тоді останнє місце в таблиці Д. І. Менделєєва. Заряд його дорівнює 92, тому якщо ядро урану захопить нейтрон з наступним випромінюванням електрона, то його заряд збільшиться на одиницю, а уран перетвориться на наступний за ураном "трансурановий елемент" з номером 93.3 дослідів Фермі такий висновок випливав настільки природно, що він відразу ж став науковою сенсацією і надбанням газет. Багато хто з раліохіміків почали пошук "трансуранових" елементів.
Німецькі радіохіміки Отто Ган і Фріц Штрассман у 1937 році повторили досліди Ферми з опромінення урану нейтронами. Детальний хімічний аналіз продуктів, що утворилися після опромінення урану, поставив їх у безвихідь: було зафіксовано барій, лантан, церій — елементи, що знаходяться в середній частині 'таблиці Менделєєва! Нам важко зрозуміти зараз їхнє здивування: уже в школі ми дізнаємося, що ядро урану зазнає поділу, і не бачимо в цьому нічого дивного. Спробуємо, однак, глянути на це явище очима першовідкривачів і, якщо не зрозуміти, то хоча б відчути корінь їхніх сумнівів. Насамперед, вони — хіміки, і хімічний елемент для них — якась надзвичайно стійка індивідуальність, яка залишається неушкодженою, пройшовши через жар і холод, нескінченні розчинення, кристалізації і бурхливі хімічні реакції. Лише недавно вони, на превелику силу, звикли до того, що іноді, у процесі радіоактивного розпаду ядер, один елемент може перетворитися на інший. Але найбільше, чого можна було б у цьому випадку домогтися, — це пересунути елемент у таблиці Менделєєва на одну, максимум на дві клітинки. Але ж порядковий номер барію — 56 — майже вдвічі менший, ніж порядковий номер у рану 11 якщо повірити в те, що барій дійсно утворився з урану, доведеться припустити, що елементи в таблиці Менделєєва можна переміщати, як завгодно, — жоден хімік змиритися із цим не міг.
Зміст результатів, які отримали в Німеччині О. Ган і Ф. Штрассман, розтлумачили Лізе Мейтнер і її племінник Отто Фріш: Гай і Штрассман спостерігали розпад ядра урану внаслідок захоплення ним нейтрона (трохи пізніше вони, на пропозицією біолога У. Арнольда, ввели загальноприйнятий тепер термін "поділ ядра" — за аналогією з поділом клітинии, точнісінько так само, як за чверть століття до них Резерфорд увів поняття "ядро атома" за аналогією з ядром клітини). Але, найголовніше те, що вони відразу зрозуміли, що при такому поділі повинна виділятися величезна енергія: при поділі ядер, що містяться в 1 грамі урану, виділяється енергія, яку можна отримати при спалюваній 3 тонн вугілля!
Із цього моменту події ввійшли в стрімкий і крутий розвиток, і рахунок часу пішов не на роки й місяці, а на тижні й дні. Уже через кілька тижнів явище поділу ядра спостерігали десятки дослідників у багатьох лабораторіях — від Нью-Йорка до Ленінграда.
Обговорюючи явище поділу ядра урану, Енріко Фермі звернув увагу на те, що нейтрони, які виникають при поділі, можуть спричинити наступні акти поділу, тобто в урані можлива ланцюгова реакція. Але ніхто не бачив вибуху внаслідок опромінення урану нейтронами. Н. Бор припустив, що це пов'язано з тим, що ядра урану бувають двох видів: природний уран містить, в основному, важкий ізотоп (99,28 %), а вміст легкого V235- незначний і становить тільки 0,72 %. Повільні нейтрони спричинюють поділ тільки легкого ізотопу , а важкий ізотоп поглинає швидкі нейтрони, що народжуються в процесі поділу, і ланцюгова реакція обривається.
Відразу ж постало три нових питання: Скільки нейтронів і з якою енергією вилітає з ядра урану-235 при кожному поділі? Що відбувається з ядрами ізотопів ура-ну-238 після захоплення нейтрона? За яких умовах можна здійснити незатухаючу ланцюгову ядерну реакцію в урані?
Відповідь на перше питання було отримано через півтора місяці — у березні 1939 року у Франції (Жоліо-Кюрі), Росії (Флеров і Петржак), СІЛА (Фермі і Сцил-лард) показали, що при кожному поділі ядра урану-235 вивільняється 2-3 нейтрони із середньою енергією 13 МеВ. Точна кількість нейтронів поділу (2,42), виміряне згодом, залишалося державною таємницею аж до 1950 року.
Намагаючись знайти відповідь на друге питання, установили, що поділ урану-235 найбільш ефективно відбувається, якщо нейтрони уповільнені до дуже малих енергій — 0,04 еВ (такі енергії мають частинки газу, якщо його температура становить близько 100 °С, і тому такі нейтрони називаються "тепловими"). Найбільш ефективно уран-238 захоплює нейтрони, якщо їх енергія становить 6,8 еВ; при цьому уран-238, поглинаючи нейтрон і вивільняючи електрон (Р-розпад), перетворюється на трансурановий елемент непту ній-239.
Таким чином, щоб стала можливою ланцюгова реакція, необхідний сповільнювач нейтронів, який повинен, по-перше, зменшити їх енергію в 10 мільйонів разів — від 1 МеВ, з яким вони вивільняються в процесі поділу ядра урану-235, до енергії 0,1 еВ, і, по-друге, здійснити це так швидко, щоб нейтрони встигли сповільнитися до того, як зіштовхнуться з ядром урану-238. Нарешті, сам сповільнювач не повинен поглинати нейтрони.
Вибір матеріалу для сповільнювача виявився небагатим: вуглець або важка вода D20, тобто вода, у якій водень замінений його важким ізотопом дейтерієм. Важка вода найкраще відповідає вимогам, але її важко добувати: у літрі звичайної води міститься тільки 0,15 г важкої. Із двох можливостей Жоліо-Кюрі (Франція) і Гейзенберг (Німеччина) вибрали важку воду, а Фермі (США) і Курчатов (СРСР) зупинилися на графіті.
Спосіб зниження втрат нейтронів при їх захопленні ураном-238 реалізується в гетерогенному реакторі. Суть ідеї проста й полягає в тому, що замість того, щоб перемішувати рівномірно уран і сповільнювач, потрібно розмістити блоки урану в просторі на деякій відстані один від одного, на зразок атомів у кристалічній решітці, а потім заповнити цей об'єм сповільнювачем. У цьому випадку нейтрони поділу, вилітаючи з блоків урану з енергією 1,3 МеВ, велику частину шляху будуть проходити в сповільнювачі і на той час, коли вони досягнуть іншого блоку урану, уже проминуть небезпечну область енергій (у радянській урановій програмі це явище було названо "блок-ефектом").
Шлях до створення ядерного реактора було відкрито.
Ядерні реактори
2 грудня 1942 року о 15 годині 25 хвилин за місцевим часом на тенісному корті під трибунами стадіону в Чикаго Енріко Фермі вперше в історії людства здійснив керовану ядерну реакцію в "атомному казані". Перший ядерний реактор являв собою сплющений еліпсоїд діаметром 8 метрів і висотою 6 метрів, складений з 385 тонн графітових брикетів, між якими на відстані 21 см один від одного було розміщено 46 тонн уранових блоків вагою 2 кг кожний, тобто реактор був схожий на кристал з кубічною решіткою. Потужність цього реактора — 40 Вт — була меншою від потужності палаючого сірника, і після 28 хвилин роботи ядерну реакцію в ньому було зупинено. Це був початок атомної ери: відтепер шляху назад, у доатомную еру, не було.
Роботи з використання енергії поділу урану, що проводилися в США (6 грудня 1941 року уряд США прийняв рішення про початок робіт із проблеми атомної бомби), були строго засекречені. У Радянському Союзі звернули увагу, що у всіх іноземних журналах припинилися публікації з ядерної фізики, що означало засекреченість цілої галузі науки. Нічим іншим не можна було пояснити зникнення цих публікацій. Причому вони зникли як з німецьких наукових журналів, так і з англійських та американських, тобто схоже було на те, що в цих країнах розвиваються секретні роботи. Прізвища вчених, які займаються ядерними проблемами, не з'являлися, вони просто зникли із журналів. Із цього приводу було багато міркувань, і всі прийшли до висновку, що в США, Англії і Німеччині розпочато роботи зі створення ядерної зброї. Причому США й Англія тримали в секреті свої роботи навіть від СРСР — союзника по антигітлерівській коаліції..
11 лютого 1943 року уряд СРСР прийняв рішення про організацію робіт з уранового проекту. Керівником робіт було затверджено Ігоря Васильовича Курчатова — одного із провідних спеціалістів в галузі ядерної фізики і, що не менш важливо, людину, яка мала видатні організаторські здібності й величезну особисту привабливість.
Для про ведення робіт було організовано Лабораторію № 2 АН СРСР (нині — Інститут атомної енергії ім. І. В. Курчатова). Основним і першочерговим завданням Лабораторії № 2 було проведення досліджень, які дозволили б здійснити ланцюг гову реакцію поділу урану. Грандіозну програму створення реактора і здійснення керованої ланцюгової реакції можна було виконати, розробивши детальну теорію реактора й експериментально перевіривши її, а також одержавши сотні тонн графіту високого ступеня чистоти й десятків тонн дуже чистого урану. Такий графіт і уран у Радянському Союзі ніколи раніш не вироблялися. Але війна й необхід-і ність якнайшвидшого створення атомної зброї спресували час. До 1946 року було створено принципово нові виробництва надчистих уранових і графітових блоків, і 25 грудня 1946 року о 19 годині І. В. Курчатов за участі чотирьох співробітників запустив перший радянський урановий реактор Ф-1.
Створення реактора Ф-1 стало найбільшим досягненням радянської науки й техніки, першим етапом генерального розвитку й вирішення атомної проблеми. Це був величезний подвиг учених, інженерів, робітників, які створили перший реактор, а також працівників уранової і графітової промисловості. Отримані на реакторі невеликі кількості плутонію дозволили вивчити його хімічні властивості й розробити технологію вилучення плутонію з опроміненого урану. (10 червня 1948 року в СРСР було введено в дію промисловий ядерний реактор з виробництва плутонію, а 29 серпня 1949 року було випробувано першу радянську атомну бомбу з плутонію-239, чим було покладено край монополії США на ядерну зброю). Слід також зазначити, що експериментальні можливості першого радянського реактора Ф-1 були значно ширші, ніж в американського (повна потужність реактора Ф-1 досягала 4000 кВт, а американського не перевищувала 200 Вт).
15 грудня 1948 року неподалік від Парижа під керівництвом Ірен і Фредеріка Жоліо-Кюрі було введено в дію французький атомний реактор.
Перша у світі атомна електростанція потужністю 5000 кВт почала працювати 27 червня 1954 року в м. Обнінську під Москвою.
Із тих пір пройшло не так багато часу, але вже зараз понад 400 ядерних реакторів у 26 країнах світу виробляють більш як 300 мільйонів кіловатт електроенергії — близько 16 % всієї електроенергії на Землі, тобто більше, ніж усі гідростанції світу. У Франції АЕС виробляють понад 80 % електроенергії, в Україні — понад 50 %.
Історія оволодіння атомною енергією унікальна в багатьох відношеннях: за вагомістю проблеми, обставинами, що супроводжували її вирішення, і наслідками, які усвідомили ще далеко не всі. У науці так траплялося й раніше, що два дослідники незалежно один від одного відкривали те саме явище. Сам по собі цей факт не є дуже дивним, якщо ми віримо в об'єктивність законів природи. Але вперше трапилося так, що сотні й тисячі людей, розділені океанами, пожежею війни і стіною таємності, послідовно, крок за кроком прямували до однакових висновків, ставили й вирішували ті самі наукові, технологічні й інженерні задачі і приблизно в тій же послідовності. Тільки в 1955 році, після 15 років практично повної ізоляції, учені із 79 країн зібралися в Женеві на Першу міжнародну конференцію з мирного використання атомної енергії і змогли переконатися, що їхні незалежні вимірювання й формули збіглися з великою точністю. Начебто Книга Природи відкрилася перед усіма одночасно, а вони лише записали її письмена.
Усі фізичні процеси, що відбуваються всередині ядерного реактора, ми знаємо тепер досить детально. Щоб почалася ланцюгова реакція, фактично досить одного нейтрона. У товщі урану вони завжди є: щосекунди в 1 кг урану спонтанно відбувається поділ 7 ядер, і нейтрони, які вилітають при цьому, можуть бути "сірником", що підпалює "уранове багаття". Нейтрони, що вилетіли, перш ніж дати початок новому поколінню нейтронів, живуть у реакторі менш як тисячну частку секунди. За цей час вони встигають зазнати 114 зіткнень з ядрами вуглецю, пройти шлях, довжина якого 54 см, сповільнитися до теплових швидкостей і спричинити новий поділ ядра урану. Кількість нейтронів у реакторі наростає лавиноподібно й через кілька секунд досягає рівня, який заздалегідь задано розташуванням стрижнів-поглиначів нейтронів. У кожному кубічному сантиметрі об'єму могутнього реактора міститься приблизно півмільярда нейтронів, які завжди "перебувають у дорозі" від одного ядра урану до іншого. У цілому ж усередині корпуса реактора встановлюється деякий стаціонарний розподіл нейтронів, так зване "нейтронне поле", яке має досить складну конфігурацію. Ним можна керувати, іноді воно коливається. Це поле завжди є предметом пильної уваги фізиків і повсякденних турбот інженерів.
У цілому, незважаючи на складність фізичних процесів, що відбуваються в "атомному казані", його принципова схема виявилася надзвичайно простою. "Урановий реактор уособлює найгеніальніше й найдивовижніше досягнення науки за всю історію людства", — писав Фредерік Содді наприкінці життя, через 50 років після початку своїх дослідів з ураном.
Світові енергетичні ресурси та необхідність вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу
Пошуки людиною нових джерел енергії для задоволення своїх потреб сягають корінням витоків цивілізації на Землі. Протягом останнього часу щонайменше кілька міжнародних конфліктів були спричинені боротьбою за оволодіння територіями, багатими на енергетичні ресурси. Безплідні простори ніколи не були об'єктом завоювання та експлуатації. Будемо сподіватися, що ядерні процеси синтезу й поділу зможуть, нарешті, повністю вирішити проблему забезпечення енергією всього людства.
Ми наближаємося тепер до сутності питання про важливість вирішення проблеми керованого синтезу легких ядер. Саме керованого, а не спонтанного, як це відбувається в результаті страхітливого за потужністю вибуху водневої бомби. Чому, незважаючи на відсутність вирішального успіху, їй, продовжують приділяти таку велику увагу у всіх передових промислово розвинутих країнах?
На перший погляд, відповідь на диво проста: вирішивши цю проблему, людство одержить необмежене щодо потужності, дешеве джерело енергії, яке буде однаковою мірою доступним для всіх націй. Несподівана простота відповіді в поєднанні з деякою домішкою пафосу (йдеться і про долю людства, і про безмежні можливості!) може викликати скепсис, та й актуальність сучасних досліджень у цій галузі здається сумнівною. Адже ще далеко не вичерпані запаси вугілля й нафти, ще не витрачені ресурси гідроенергії, майже не використовується сонячна енергія, ми лише почали експлуатувати ядерне пальне — уранові й торієві руди.
З позицій даного моменту все це, звичайно, вірно в рамках статичного, незмінного світу. Але ми живемо в умовах світу динамічного, який стрімко змінюється. Щоб завтра перед людством не постала загроза енергетичного голоду, основи енергетики майбутнього повинні закладатися вже сьогодні. Тут не повинно залишатися навіть тіні сумніву або двозначності, тому пояснимо наведену думку. Простежимо, насамперед, як змінювалася кількість населення Землі. Зрозуміло, точність оцінок, що стосуються далекого минулого, є недостатньою, але це не змінює загальної картини: знадобилося кілька сотень тисяч років, щоб людство до 1830 року розмножилося до одного мільярда, за наступні сто років додався другий мільярд, і тільки тридцять років знадобилося для появи на Землі ще одного мільярда людей. У даний час річний приріст становить приблизно 2 %, тобто близько 140 мільйонів чоловік.
10000 років до нашої ери | (1 - 10) *
Початок нашої ери | 250 *
1650 р. | 500 *
1850 р. | 1,1 *
1950 р. | 2,4 *
1975 р. | 4,0 *
2000 р. | 7,0 *
Добре відомо, що найбільше значення для стрімкого зростання кількості населення мав прогрес медицини (зниження дитячої смертності, відкриття антибіотиків). Перед майбутніми поколіннями незабаром постануть складні проблеми розселення людей і регулювання чисельності людства. Але незалежно від цього люди повинні їсти, одягатися, мати захист від холоду, не кажучи вже про задоволення Духовних потреб, які невпинно зростають. Утім, не у віддаленому майбутньому, а вже у наш час проблема голоду — одна із найдошкульніших. Напівголодне існування від колиски до смертної години — доля четвертої частини людства. Якщо врахувати темпи приросту населення, то навіть радикальне вирішення соціальних проблем не усуває необхідності створення синтетичної їжі (завдання біологів) і забезпечення установок білкового синтезу енергетикою (завдання фізиків).
Сказаного досить, щоб оцінити всю серйозність ситуації. Розглянемо тепер становище з енергетичним балансом. Доцільно поділити джерела енергії на дві групи: відтворювані джерела та "основний капітал". До першої групи належать енергія вітру, рік і морських припливів, сільськогосподарського й деревного палива, геотермія (внутрішнє тепло Землі), сонячна енергія. До другої групи належать джерела енергії, які утворилися в земній корі в результаті геологічної еволюції: вугілля, нафта, горючі гази і, зрозуміло, ядерне пальне. У наш час у загальному балансі енергоспоживання перше місце належить вугіллю, нафті й горючим газам. Людство витрачає поки що основний капітал. В історичному аспекті відбувалося витіснення дров і сільськогосподарського палива вугіллям і нафтою.
Для подальших кількісних оцінок зручно ввести одиницю енергії:
Джоулів.
Енергії 1 Q достатньо, щоб нагріти до кипіння два з половиною Ладозьких озера. Історія матеріальної культури й демографічні оцінки показують, що за період від початку нашої ери до 1850 року людство витратило 6 + 9 Q енергії. Споживання за наступні сто років становило близько 4 Q. У 1970 році світове споживання було на рівні 0,2 Q, а в 2000 році воно становило 1 Q Якщо наявні темпи зростання енергоспоживання збережуться, то до 2050 року воно досягне 10 Q. Таким чином, через 50 років людство повинно буде щорічно витрачати стільки ж енергії, скільки воно витратило з часів імперії Августа до наших днів.
Природно, виникає питання, якою мірою це зростання забезпечене наявними ресурсами. Перш ніж розглядати оцінку запасів, наведену нижче, корисно звернутися до одного цікавого міркування. Припустимо, що людство дійсно почне витрачати запаси потенційної енергії (у кінцевому підсумку перетворюючи її на тепло) на рівні, що становить помітну частку від загальної енергії, яку Земля одержує від Сонця. У такому випадку ми повинні бути готові до того, що відбудеться зміна клімату нашої планети. Точніше: уся сонячна енергія, яка досягає поверхні Землі, становит близько 2500 Q на рік. Збільшення енерговиділення, скажімо, до 20-30 Q на рік, якщо воно буде забезпечуватися спалюванням вугілля, нафти й газу, а отже, супроводжуватиметься підвищенням вмісту вуглекислого газу в атмосфері, призведе до відчутних змін клімату Землі ("парниковий ефект"). У результаті почнеться танення материкових льодів Антарктиди й Гренландії, що у свою чергу викличе підвищення рівня Світового океану. Виникне потреба в складних гідротехнічних роботах, щоб захистити від затоплення величезні низинні території на узбережжях океану. Досить несподіваний результаті Правда, якщо енергетика світу повністю перейде на ядерне пальне, то вміст С02 залишиться на колишньому рівні й катастрофічні зміни клімату почнуться за умови більш високих темпів додаткового енерговиділення. Проте, обговорюючи перспективи розвитку енергетики планети, не варто вдаватися до занадто далеких і сміливих екстраполяцій. У межах допустимого припущення ми можемо розглядати як гранично можливу цифру додаткового енерговиділення рівень, що становить ЗО Q на рік
Відтворювані джерела енергії відповідають у сукупності (крім сонячної'енергії) не більш як 2-3 Q на рік. Однак експлуатація їх значною мірою економічно зовсім безперспективна і вони, зрозуміло, не зможуть задовольнити зростаючі потреби світу. Отже, використання мінеральної сировини триватиме.
Сумарні запаси вугілля, навіть за оптимістичними оцінками, не перевищують 150(2, нафти й газу 10 Q. При цьому, у міру витрати наявних ресурсів, видобуток копалин буде пов'язаний із зростанням технічних труднощів і буде супроводжуватися збільшенням їх вартості. У підсумку, за оцінками експертів, запаси нафти (навіть враховуючи ще не відкриті родовища) будуть вичерпані протягом 30—40 років, а вугілля — протягом 100—200 років.
Однак і ця досить похмура перспектива не дає повного уявлення про серйозність сучасного становища. Справа в тому, що ми увесь час використовували глобальні оцінки, які внаслідок усереднення створювали ілюзію відносного благополуччя, принаймні, стосовно найближчого майбутнього. Тим часом мінеральна сировина розподілена вкрай нерівномірно по країнах світу. Досить нагадати, що, наприклад, Західна Єврот на 2/3 залежить від імпорту енергетичної сировини.
Нам залишається розглянути питання про використання сонячного тепла та ядерного пального. На жаль, сонячна енергія має незначну щільність. Енергетична освітленість на поверхні Землі за умови нормального падіння сонячних променів і прозорої атмосфери становить близько 1 кВт/м2. До того ж коефіцієнт корисної дії фото- і термоелектричних перетворювачів невеликий. Тому для забезпечення потреб людства через сто років довелося б значну частину поверхні Землі (близько 10 %!) закрити сонячними генераторами. Фантастичність подібного проекту очевидна.
Існують два діаметрально протилежні ядерні процеси, що протікають з виділенням енергії: процеси розподілу й синтезу. Коли важке ядро, захоплюючи нейтрон, ділиться, то при цьому воно розпадається на дві (або більше) частини, які, як правило, мають неоднакові маси. У результаті виділяється енергія й одночасно вивільняється кілька нейтронів. Ці нейтрони знову можна використовувати для поділу інших важких ядер. Коли відбувається синтез, то два легких ядра, якщо вони мають достатню енергію, поєднуються, і утворюють легкі продукти реакції, які можуть мати значно більшу кінетичну енергію, ніж вихідні компоненти. Енергія в обох випадках має ядерне походження. Ядра, що мають середню масу, не можна використовувати ні для реакцій поділу, ні для синтезу.
З усіх ядер, які тільки існують у природі, тільки ядра урану піддаються поділу за допомогою повільних нейтронів і придатні для використання як пальне в більшості реакторів. (Реактори, які можуть виробляти енергію за рахунок швидких нейтронів і які, отже, можуть використовувати інше пальне, мають невеликі розміри й тому малопридатні для вироблення й одержання великих кількостей тепла. Такі реактори на швидких нейтронах перебувають поки що, в основному, на стадії розробки). Однак торій і уран, що зустрічаються в природному вигляді, .можуть перетворюватися на і плутоній відповідно при захопленні нейтрона, у тому числі і тих нейтронів, що звільняються при поділі. Найбільш розповсюджені ізотопи торію та урану (), які є вихідною речовиною для одержання продуктів та , що піддаються поділу, називаються паливною сировиною.

Вміст урану у природному урані становить 0,71 %. Відносний вміст урану й торію в земній корі оцінюється величинами порядку відповідно. Поклади торію відомі менше, оскільки їх пошук є економічно недоцільним.
Оцінки, одержані останнім часом, свідчать, що західні країни мають запаси урану близько одного-двох мільйонів тонн; його видобуток обходиться порівняно дешево (близько 10 доларів за фунт окису урану ). Кілька мільйонів тонн може бути видобуто за більш високою вартістю (10-30 доларів за фунт). Приблизно така ж кількість паливної сировини, включаючи торій, є і в інших країнах. Тому доступними для видобутку можна вважати близько тонн матеріалів, які є речовиною для поділу. За умови повного використання цих тонн можна одержати 5000 Q енергії, які будуть вичерпані за кілька століть.
Крім того, що кілька століть є короткотривалим історичним періодом, використання матеріалів, що поділяються, створює серйозну проблему, пов'язану з радіоактивними відходами. У разі переходу енергетики на ядерне пальне кількість довго живучих радіоактивних відходів з ядерних реакторів стане загрозливо великою, і виникне складна й матеріально затратна проблема їх захоронення. Використання для цього морського дна загрожує отруєнням океанської фауни, не забезпечує необхідної безпеки й повинно бути відкинуто. Залишається викидання радіоактивних продуктів у далекий космос.
Таким чином, вимальовується неприємна альтернатива: жалюгідний енергетичний пайок або дуже повільне, однак постійно прогресуюче радіоактивне забруднення планети, боротися з яким надзвичайно важко.
Саме із цих позицій ми й повинні підходити до перспективи використання керованого синтезу легких ядер як основи енергетики майбутнього суспільства.
Практичний інтерес являють для нас дві реакції синтезу.
Тут — важкий ізотоп водню — дейтерій, — інший, більш важкий ізотоп водню — тритій, і — ізотопи гелію.
Дейтерій, який з усіх природних ядер є найбільш придатним для термо-ядерних реакцій, є в морській воді — його вміст становить 0,0153 %. Цієї кількості дейтерію достатньо для виробництва 30 Q енергії щорічно протягом 109 років.
Є підстави вважати, що вартість неядерного пального й пального, яке використовується в реакціях поділу, буде з часом зростати, у той час як вартість дейтерію (яка і зараз низька) буде знижуватися.

У процесі синтезу не утворюються шкідливі або довгоіснуючі радіоактивні речовини. Прийнято вважати, що відношення радіоактивної небезпеки для реакторів поділу і реакторів синтезу виражається як 1000:1.
Відповідь на питання про те, навіщо потрібний керований синтез, отримана, і ми можемо перейти до обговорення особливостей проведення процесу термоядерного синтезу.
Сама природа реакції синтезу створює дуже великі труднощі. Щоб два ядра могли злитися, вони повинні підійти досить близько одне до одного, незважаючи на електростатичне відштовхування між ними. Для цього ядра повинні мати велику енергію, тобто необхідне нагрівання ядерного пального. Необхідна для цього температура вища за температуру у внутрішніх областях зірок і дорівнює приблизно К. При таких температурах усі легкі атоми повністю іонізовані й газ складається з голих ядер і вільних електронів. Така сукупність заряджених часток називається плазмою. Фізика плазми набула фундаментального значення в середині двадцятого століття, коли широко розгорнулося вивчення процесів у космосі і стартувала програма досліджень з керованого термоядерного синтезу. Із цього часу почався її стрімкий розквіт, що пояснюється величезним пізнавальним значенням і грандіозністю завдань, які покликана розв'язати фізика плазми. Від її успіхів залежить значною мірою здійснення тих надій, що покладаються на вирішення проблеми керованого синтезу легких ядер у плазмовому середовищі, а разом з тим і на реконструкцію енергетики майбутнього.
Коли йдеться про універсальну поширеність плазми, ми не випадково звертаємо свої погляди до зірок і космічного простору, а не до поверхні Землі. Плазма, тобто іонізований газ, атоми якого (усі або більшість) утратили частину своїх електронів і перетворилися на позитивні іони, утворюється й існує тільки в екстремальних умовах. Зрозуміло, слово "екстремальний" означає винятковість тисків, температур, потоків випромінювання та електромагнітних полів, які спостерігаються в зірках і космосі, порівняно з тими, котрі нас оточують під щитом щільної атмосфери й у межах того вузького температурного інтервалу, який необхідний для життя. Поява плазми в земних умовах — порівняно рідкісна подія; спалахи блискавок під час грози, полярні сяйва або слабке світіння на металевих вістрях при тихих коронних розрядах, імовірно, вичерпує список природних плазмових феноменів у нашому оточенні. Зате технічна цивілізація наших днів достатньо постачає нам плазмових пристроїв та інструментів. Різноманітні вогні газосвітлових реклам і набір газорозрядних приладів (випрямлячів, тиратронів, МГД-перетворювачів і т.д.) — усе це породження технічної електроніки і тих досліджень у галузі фізики газового розряду, які неухильно розвивалися протягом десятиліть.
У наш час досить гарячу й досить щільну плазму одержують у лабораторних умовах поки що тільки на короткі проміжки часу; до того ж вона ще не має повною мірою того бажаного комплексу властивостей, без якого процес керованого синтезу легких ядер неможливий.
Як уже зазначалося, для здійснення реакцій синтезу необхідно нагріти плазму до високих ( К) температур (таку плазму називають "гарячою" або "термоядерною"). Очевидно, що головні труднощі полягають у тому, щоб ізолювати цю високотемпературну плазму від стінок апарата, в якому вона знаходиться. Інакше плазму через її величезну теплопровідність не вдасться нагріти навіть до температури в кілька сотень тисяч градусів, тому що вся енергія, яка надається їй, буде негайно поглинатися стінками. Необхідно розробити дуже ефективний метод термоізоляції, який би унеможливлював контакт плазми з будь-якими навколишніми речовинами. Це означає, що плазма з усіх боків повинна бути оточена вакуумним простором. Але як перешкодити частинкам плазми піти за її межі, інакше кажучи, як утримати плазму від розширення у вакуум? Очевидно, що цього можна досягти лише шляхом застосування магнітного поля, силові лінії якого оточували б плазму і були паралельними стінкам апаратури. Заряджені частинки обвивалися б навколо силових ліній і рухалися б уздовж поля, практично не зміщуючись до стінок. Цю ідею магнітної термоізоляції стосовно проблеми здійснення керованого термоядерного синтезу вперше в СРСР висловили у 1950 році А. Д. Сахаров і І. Є. Тамм. Цілком самостійно до тієї ж думки прийшли приблизно в ті ж роки фізики США й Англії, але через непроникні бар'єри таємності, що існували тоді, ніхто не знав, що відбувається в цій галузі в інших країнах. Системи, в яких для термоізоляції плазми використовується магнітне поле, називаються магнітними пастками.
Другим ключовим питанням, яке необхідно вирішити, є проблема стійкості плазми. Потрібно встановити, за яких умов гаряча плазма, урівноважена магнітними силами, може зберігати стійкість. Для цього було виконано теоретичні розрахунки й проведено різноманітні експерименти, у результаті яких було виявлено ті умови, за яких щільна гаряча плазма, повністю відірвана від стінок і утримувана у вакуумі магнітними силами, буде залишатися в рівновазі досить тривалий час. Слово "тривалий" уживається тут у тому розумінні, що кожен нейтрон протягом часу існування нагрітої плазми матиме значний шанс вступити в ядерну реакцію.
Третє питання, яке в наш час теж фактично вирішене, — це нагрівання плазми до високих, "термоядерних" температур. Розв'язати цю проблему можна різними шляхами: пропусканням сильних струмів через плазму, введенням у плазму високочастотної електромагнітної енергії або інжекцією швидких частинок, розігнаних до високих швидкостей у спеціальних пристроях.
Як виглядатиме термоядерний реактор?
У результаті злиття ядер дейтерію народжується ядро гелію (альфа-частинка) і нейтрон. Термоядерна енергія, яка виділяється у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції, розподіляється між ними обернено пропорційно їхнім масам, так що 80 % енергії синтезу припадає на нейтрони. Альфа-частинки будуть залишатися всередині плазми, витрачаючи свою кінетичну енергію на її "підігрів". Нейтрони ж практично безперешкодно (магнітне й електричне поля на них не діють) будуть виходити з плазменного об'єму назовні. Таким чином, завдання використання енергії зводиться, в основному, до використання енергії швидких нейтронів.
Щоб досягти цієї мети, реагуючу плазму потрібно оточити спеціальною оболонкою, в якій енергія нейтронів буде поглинатися й перетворюватися на тепло. Цю оболонку прийнято називати бланкетом (англійською — "ковдра"). У бланкеті повинні бути канали для циркуляції теплоносія, який знімає енергію, що виділяється внаслідок гальмування нейтронів. У перших реакторах буде використовуватися звичайний пароводяний спосіб перетворення теплової енергії на електричну, тобто енергія теплоносія в теплообміннику буде передаватися воді, що циркулює в другому контурі, перетворюватиме її на пару під тиском, яка, відповідно, буде обертати турбіни й генератори, що виробляють електроенергію. Пізніше, можливо, будуть розроблені інші способи перетворення термоядерної енергії на електричну, у тому числі способи прямого перетворення.
Узагальнюючи сказане, зазначимо, що завдання створення промислової термоядерної електростанції зводиться в даний час до вирішення інженерних задач, які хоч і є надзвичайно складними та дорогими, однак не можуть стати принциповими перешкодами на шляху до розв'язання проблеми. За прогнозами, які враховують думку як оптимістів, так і песимістів, проблему створення термоядерної енергетики, можливо, вдасться вирішити в першій чверті нового століття. Природа може розставити на шляху до термоядерного Ельдорадо лише обмежену кількість труднощів, і після того, як людина, завдяки своїй невпинній творчій активності, зможе їх перебороти, природа вже не зможе придумати нові.


Список використаної літератури
1. Абачиеп С. К. Концепции современного естествознания (в 2-х частях). Балашиха. - 1988. - I ч.: 150 с, II ч.: 190 с.
2. Ампер А. Электродинамика. М.: ИЛ. — 1954. — 369 с.
3. Античная цивилизация. — М.: Наука. — 1973. — 269 с.
4. Аристотель. Соч. В 4-х тт. Т. 4. - М.: Мысль. - 1983. - 828 с.
5. Арцимович Л. А. Управляемые термоядерные реакции. М.: Гос. изд. физ.-мат. лит. - 1961.-468 с.
6. Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы. М.: Госатомйздат. — 1963. — 192 с.
7. Бсрнал Дж. Возникновение жизни. — М.: Мир. — 1969. — 391 с.
8. Боголюбов А. Н. Математики и механики. Биографический справочник. — Киев: Наук, думка. - 1983. — 638 с.
9. Боннар А. Греческая цивилизация. Т. 1. От Илиады до Парфенона. — М.: Искусство. - 1992. - 269 с.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать