Собравшись в Москве в июне этого года, физики, инженеры, руководители промышленности и политические деятели Европейского союза, Японии, России, Канады, Казахстана, США и ряда других стран отметили знаменательное событие, которое наверняка войдет в историю не только научного, но и общечеловеческого прогресса. После более чем девяти лет совместной работы многих крупных исследовательских и промышленных центров создан технический проект первого в мире экспериментального термоядерного реактора. Проектирование осуществляется в рамках международной программы "Технический проект ИТЭР". ITER (International Termonuclear Experimental Reactor - Международный Экспериментальный Термоядерный Реактор, а само слово iter в переводе с латыни означает шаг, шаг на пути к звездной энергии). Эта аббревиатура уже стала именем как самого проекта, так и будущего реактора. Собравшись на "Дни ИТЭР" в Москве, участники встречи обсудили не только завершенный ими проект и результаты испытаний изготовленных промышленностью основных экспериментальных узлов будущего реактора. В кулуарах встречи обсуждались и конкретные планы его постройки, в частности, возможные места для сооружения первенца будущей термоядерной энергетики и организация работ на этом завершающем этапе.
СТРАТЕГИЯ СТРЕКОЗЫ
Жить, всякий знает, можно по-разному. Можно проводить свои дни беспечно, беззаботно, не думая о завтрашнем: что есть, то съел, не хватит - займем, день прошел и прекрасно. Эта стратегия не раз была представлена в художественной литературе, например, в известной басне "Стрекоза и муравей".
Можно жить и по-другому: полностью пожертвовать быстроубегающим нынешним деньком, все отдать подготовке к дню грядущему. И эту стратегию обрисовало нам писательское перо - вспомните припрятанные на черный день плюшкинские сухари.
В малых масштабах, в жизни отдельного человека, семьи, подобные крайности встретишь редко - люди в основном живут сегодняшним днем, но какую-то часть времени, сил, средств вкладывают в свое завтра. Тратят годы на образование, варят на зиму варенье, зарабатывают пенсию, заводят сберкнижку. Но вот что удивительно - большие общественные структуры, целые страны и даже, бывает, все человечество целиком уходят в текущие свои дела, к будущему относятся беспечно, в стиле стрекозы из басни Крылова. Посмотрите, с какой легкостью мы кромсаем природу, не задумываясь о том, что дело вот-вот дойдет до непоправимого. С удивительной беспечностью мы наполняем мир многообразием новых химических соединений, не думая о том, как они состыкуются с тонкими химическими машинами живой природы и во что могут превратить род человеческий. Обратите внимание, наконец, на то, с каким азартом мы черпаем из недр нефть, каждый раз подбадривая себя порцией оптимизма: "Ученые уверены, что нефти еще много, вполне хватит на 30 лет... Какое там на тридцать, по новейшим прогнозам, на сорок... Даже на пятьдесят - ура!.."
Но забываем, что период становления новой энергетики не менее 50 лет, так что мы уже опоздали...
Нельзя, конечно, сказать, что человечество совсем уже беспечно относится к вопросам энергетики в целом. Нет, нет - кое-что все же делается, чтобы иметь энергетическую подмену к моменту, когда на индикаторе мирового бензобака стрелка упадет до нуля. Но делается, как считают специалисты, намного меньше, чем можно было бы. И уж наверняка меньше, чем нужно.
Во всяком случае сегодня мировое сообщество тратит на подготовку к неотвратимо надвигающейся энергетической зиме в тысячи раз меньше средств, чем на совершенно пустое, бессмысленное дело - на вооружение. На то, чтобы народы, жители единого дома могли пугать друг друга, напоминая детей, которые играют в войну и еще ничего не знают о проблемах взрослой жизни.
ЭКСКУРСИЯ В ЗАКРОМА
Сейчас основную часть всей потребляемой энергии дает нам органическое топливо - нефть, уголь, газ. И в основном живем мы только за счет того, что природа в свое время создала молекулы этих углеводородов, что она, образно говоря, сжала бессчетные молекулярные пружины и они, распрямляясь, возвращают запасенную энергию. Происходит это так - в процессе горения, то есть соединяясь с отобранным из воздуха кислородом, органическая молекула выделяет микропорцию тепла. А поскольку таких молекул много (в одном грамме нефти, например, миллиарды миллиардов), то при сжигании органического топлива можно получить немалую энергию. Именно эта нехитрая химия обеспечивает сегодня почти все наше энергетическое пропитание - тепло и свет в домах, сталеплавильные печи и хлебозаводы, миллионы тракторов на полях и сотни миллионов автомобилей на дорогах. Еще раз напомним - все это начинается с химической реакции окисления углеводородов, с процессов в электронных оболочках атомов.
Есть у нас, у землян, и иные источники энергии. Самый, казалось бы, бесплатный - Солнце, в виде тепла и света отдающее Земле чуть ли ни в миллион раз больше киловатт, чем сегодня потребляет наше индустриальное общество. Но попробуй собери эти бесплатные киловатты - никаких денег не хватит. По мелочам выходит неплохо - микрокалькуляторы и иная маломощная электроника уже давно питаются электричеством, полученным с помощью света. Хорошие полупроводниковые панели превращают в электричество примерно 20 процентов попадающей на них солнечной энергии, и энтузиасты в своих гаражах уже строят автомобили и яхты на солнечной тяге (см. "Наука и жизнь" № 6, 2001 г.). Но накормить таким способом города и страны - совсем другое дело. Огромные панели занимают много места, и на их работу сильно влияют капризы погоды. Поэтому предлагается когда-нибудь запустить на высокую околоземную орбиту спутники с огромными, километровых размеров панелями солнечных батарей и оттуда, с орбиты, гнать энергию на Землю с помощью мощнейшего луча радиоволн. Но как это будет влиять на экологию планеты - большой вопрос!
Пока же хорошо использовать солнечную энергию умеют только растения. Не случайно нынешних изобретателей так привлекает "старый способ" - сжигание древесины. Но так, чтобы получать в основном не тепло, а горючий газ, который можно будет вывозить с лесных энергетических плантаций в баллонах или транспортировать по трубопроводам.
Кое-где в ощутимых масштабах энергию добывают, используя вторичные эффекты солнечной активности - ветер и круговорот воды, питающий реки. Есть в резерве еще и неостывшие недра планеты - уже на глубине 100-200 километров ее температура измеряется сотнями градусов. Энергию подбрасывает нам заведенное миллиарды лет назад небесное перпетуум-мобиле - Луна. Вращаясь вокруг Земли, она создает на ней приливные волны, от которых только на побережье морей и океанов в принципе можно было бы собрать энергетический урожай, составляющий 10 процентов наших нынешних потребностей. Новую область крупномасштабной химической энергетики мог бы открыть водород, если дешево и безопасно добывать, хранить и сжигать его.
А еще есть в наших закромах огромные запасы энергии, припрятанные природой в атомных ядрах, о чем мы вскоре поговорим особо.
Одним словом, в целом источников энергии немало, проблема лишь в том, как эту энергию извлечь, как ее пустить в дело, затратив не слишком много сил. И не испортив при этом Природу - среду нашего обитания.
МАШИНА, РАБОТАЮЩАЯ В ДВУХ СОВЕРШЕННО РАЗНЫХ РЕЖИМАХ
Как было только что отмечено, энергией нас снабжают в основном атомы и молекулы. Горят дрова, взрываются в цилиндрах автомобильного двигателя пары бензина, сгорает газ в паровых котлах городской электростанции - во всех этих случаях определенные атомы в молекулах топлива соединяются с кислородом. При этом объединяются и перестраиваются некоторые их электронные орбиты, и в результате такой перестройки новая молекулярная система выбрасывает во внешний мир то, что для нее оказалось лишним - порцию энергии. Для разных химических реакций это разная порция, но всегда не очень большая - несколько электрон-вольт. Напомним, что электрон-вольт (эВ) - это одна из единиц измерения энергии, так же как метр или дюйм - одна из единиц измерения длины. Энергия 1 эВ появится у электрона, если его ускорить в электрическим поле с разностью потенциалов в 1 вольт. Более крупная единица - мегаэлектронвольт, 1 МэВ = 1 000 000 эВ. Лампочка небольшого карманного фонарика за минуту потребляет примерно сто миллиардов МэВ.
Не зная всех этих подробностей, человек тысячи лет использовал энергию горения. Глубокие исследования мира атомов и молекул позволили постепенно понять суть дела и в итоге открыли для энергетики принципиально новые возможности. В частности, в начале прошлого века стало выясняться, что энергетическая машина "Атом" может выдавать во внешний мир энергию, работая, так сказать, в двух совершенно разных режимах и используя при этом две разные силы - электромагнитную и ядерную.
В настоящее время известны всего четыре разновидности сил или взаимодействий: ядерные, электромагнитные, гравитационные и слабые. Другие науке не известны! Почему их именно четыре? Почему они такие, какие есть, а не другие? Почему действуют так, как они действуют, а не как-нибудь иначе? На подобные вопросы сегодня есть один ответ - так устроен мир, в котором мы живем (см. "Наука и жизнь" № 11, 2000 г.). Первые две силы из великолепной четверки нам хорошо известны - мы неоднократно видели их в работе. Это гравитация (бутерброд падает на пол) и электромагнитные силы (клочки бумаги тянутся к натертой расческе, железные опилки - к магниту). Две другие силы нельзя обнаружить столь же просто, они действуют лишь в атомном ядре, причем на очень малых расстояниях - меньше триллионной доли миллиметра. Это третья по счету ядерная, или иначе - сильная, сила и четвертая по счету - слабая сила (название не самое удачное: она на много порядков сильнее гравитации).
Ядерные силы стягивают, или, как часто говорят, склеивают, тяжелые частицы атомного ядра - протоны и нейтроны. И для такого склеивания, стягивания протонов и нейтронов в единое ядро силы нужны немалые. Достаточно вспомнить, что у протонов есть положительный заряд, а одноименные заряды, как известно, взаимно отталкиваются. Причем на малых внутриядерных расстояниях протоны расталкиваются особенно энергично, ядерные силы должны быть действительно очень сильными, чтобы ядра не разваливались и мир был стабильным, устойчивым.
Вместе с тем в каких-то случаях и в атомных ядрах могут происходить изменения, в том числе и такие, после которых от ядерных сил требуется меньше усилий и их избыток уходит из ядра в виде порции энергии. В принципе происходит то же самое, что и при химических реакциях, при изменениях в электронной структуре атомов - атом меняет свое состояние, и это сопровождается выделением уже не нужной ему энергии. Но только изменения в атомных ядрах, изменения с участием могучих ядерных сил сопровождаются несравнимо большим выделением энергии, чем дают химические процессы, то есть процессы в электронных оболочках, где в основном действуют не очень мощные (в сравнении с ядерными) электромагнитные силы.
В этом одно из главных достоинств атомной, или, лучше сказать, ядерной, энергетики - каждый участвующий в деле атом выдает в миллионы раз больше энергии, чем при химических реакциях. Второе достоинстово - запасы ядерного топлива достаточно велики, а для ядерного синтеза, где энергию получают в основном из ядер водорода и топливом может служить обычная вода, - практически безграничны.
СТАКАН ВОДЫ ВМЕСТО БОЧКИ БЕНЗИНА
Существуют два поставщика ядерной энергии - деление, распад атомных ядер и создание, синтез нового ядра из двух слившихся более простых ядер. Реакции деления, в частности деление атомных ядер урана, используется в современных, так сказать, традиционных атомных электростанциях. Их в мире уже работает больше четырехсот общей мощностью почти 350 гигаватт (1 ГВт = 109 Вт), что составляет более 4 процентов мировой энергетики. А в некоторых странах они производят весьма заметную часть электроэнергии - во Франции, например, 75 процентов, в Бельгии - 58, в Японии - 35, в США - 20, в России - 14.
Что же касается синтеза, то здесь реально речь идет об одном виде таких ядерных реакций - о слиянии двух ядер водорода, точнее его изотопов, в одно ядро, в ядро гелия. Каждое такое слияние двух водородных ядер в расчете на единицу массы дает во много раз больше энергии, чем деление уранового ядра, и при этом не сопровождается появлением радиоактивных отходов. Наконец, еще одно достоинство - водорода чрезвычайно много и на Земле, и во Вселенной. Не случайно при сотворении мира Природа выбрала именно водородный синтез для своих энергетических агрегатов - для звезд. Так, в частности, вся гигантская энергия, которую выдает наше Солнце, в том числе тепло и свет, попадающий на Землю (0,0000001 процента общей солнечной мощности), рождается из ряда ядерных реакций синтеза. Поняв это, вполне естественно было подумать о том, чтобы воспроизвести водородный синтез в земных условиях - заставить маленькое прирученное Солнце щедро кормить нас энергией. Тогда уже не нужно будет опасаться энергетического голода - водород можно брать из воды, а ее у нас немерено. К тому же ядерные реакции - это вам не слабосильное горение, водородный синтез позволит из стакана обычной воды, в которой есть и молекулы D2О, получить столько энергии, сколько дает сжигание целой бочки бензина.
НЕВИДИМЫЕ МИРУ СЛЕЗЫ
Крылатое выражение "невидимые миру слезы" вполне можно отнести к многолетним попыткам использовать водородный синтез в большой энергетике. Широкая публика часто слышала о том, что в этой области проводятся интересные исследования, строятся экспериментальные установки, что наука весело и успешно приближается к намеченной цели. Но мало кто знает, с какими сложными, порой, казалось, неразрешимыми проблемами сталкивались физики и инженеры, как много появлялось на их пути совершенно неожиданных препятствий, как дорого приходилось платить чуть ли ни за каждое продвижение вперед. Достигнутый сегодня рубеж - технический проект термоядерного реактора - не только итог многолетних усилий многих тысяч профессионалов высочайшего уровня. Это на самом деле еще и напоминание о мужестве ученых и инженеров, умеющих держать удар и разумно рисковать, преодолевать, казалось бы, непреодолимое и, сделав ставку на математический прогноз, начинать работы стоимостью в миллионы долларов, взяв на себя ответственность за результат.
Невозможно рассказать обо всех задачах, которые решались и еще только решаются на пути к энергетическому реактору ядерного синтеза. Но о некоторых из них полезно знать даже человеку, не имеющему возможности вникать в детали, - это поможет почувствовать масштабы проблемы.
Получать энергию от ядерного синтеза научились почти полвека назад, но лишь в виде неуправляемой лавины - в водородной бомбе. А энергетике нужен не взрыв, а ровное "горение", непрерывное выделение энергии. Иначе говоря, энергетике нужен управляемый термоядерный синтез, сокращенно УТС.
Настал, видимо, момент пояснить значение приставки "термо" в слове "термояд", которая появилась вместе с названием самого проекта ИТЭР. Чтобы получить ядро гелия из двух ядер водорода, нужно с огромной силой столкнуть эти ядра. Тогда они смогут преодолеть взаимное электрическое отталкивание (не забудьте: ядро водорода - это протон, частица с положительным электрическим зарядом) и сблизиться до чрезвычайно малого расстояния 10-13 см, когда уже начинают действовать ядерные силы.
Процесс синтеза обычно осуществляют в газообразном водороде, нагретом до очень высокой температуры: чем выше температура, тем больше средняя энергия хаотически движущихся частиц газа. Правильнее, пожалуй, сказать иначе: температура - это мера интенсивности движения частиц, мера их скорости и, следовательно, их кинетической энергии. Чем выше температура, тем больше ядер имеют энергию, позволяющую преодолеть электрическое расталкивание и сблизиться для последующего слияния в ядро гелия.
Для эффективного ядерного синтеза нужно нагреть водородный газ до температуры в сотни миллионов градусов. Для получения большой энергии при синтезе ядер гелия используют изотопы водорода - тяжелый водород дейтерий и сверхтяжелый - тритий. Однако для упрощения мы будем там, где это возможно, называть эти изотопы просто водородом. И еще одно терминологическое замечание - при высокой температуре атомы сбрасывают свои электронные оболочки и вместо водородного газа, состоящего из нейтральных атомов, образуется плазма - в целом квазинейтральная смесь свободных атомных ядер и свободных электронов.
Итак, для ядерного синтеза водородный газ нужно очень сильно нагреть, попутно превратив его в водородную, а точнее дейтерий-тритиевую , плазму. С ростом температуры возрастает вероятность слияния водородных ядер, а значит, и эффективность процесса - выход высвободившейся энергии. Здесь, правда, есть немало тонкостей. Температуру, в частности, можно снизить, не потеряв эффективности, если увеличить давление водородного газа, но при этом возникает ряд новых проблем. В лабораторных установках для термоядерного синтеза плазма имеет температуру 50-100 миллионов градусов, а в ИТЕРе она будет поддерживаться на уровне 150-200 миллионов. В недрах Солнца ядерный синтез идет при температуре 20 миллионов градусов, но там водород очень сильно сжат гравитационными силами - огромной солнечной массой.
(Окончание следует.)
Подробности для любознательных
СКОЛЬКО ТОПЛИВА НА ЗЕМЛЕ
Энергию, столь необходимую человечеству, сегодня получают в основном за счет сжигания углеродного топлива (1). Часть энергии (в ряде стран - немалую) дают атомные электростанции, работающие за счет деления радиоактивного изотопа урана 235U, количество которого составляет только 0,71% от общей массы природного урана. Практически все остальное - его "негорючий" изотоп 238U. Однако делящиеся изотопы урана и плутония (238Pu) нетрудно получить искусственно, облучая потоком нейтронов уран 238U и торий 232Th (2):
238U + n → 239Pu + 2e- +γ + 2
;
232Th + n → 233U + e- + γ + .
В качестве своего рода "побочных продуктов" реакции при каждом взаимодействии возникает гамма-излучение (γ) и вылетают электроны(e -) и электронные антинейтрино ().
Наилучшим образом эти реакции проходят в ныне действующих реакторах-размножителях на быстрых нейтронах (бридерах), а в будущем, если потребуется, их можно будет проводить в бланкетах термоядерных реакторов (3).
Из таблицы видно, что запасы сырья для ядерной энергии синтеза (лития, из которого получают тритий) примерно в 30 раз превышают запасы урана и тория, пригодных для получения энергии деления. К тому же на тритии будут работать термоядерные реакторы только первого поколения. Уже сейчас идет работа по созданию реактора на безнейтронных реакциях синтеза, например на 3He (3He + 3He → 4He + 2p+ +12,8 Мэв) и других легких ядрах. А все органическое топливо Земли - нефть, газ и уголь - может дать только одну стомиллионную часть этой энергии. При современной мощности мировой энергетики запасов органического топлива, в первую очередь угля, хватит лет на двести, а сырья для ядерной энергетики - на тысячелетия.
ОТКУДА БЕРУТСЯ ТРИТИЙ И ДЕЙТЕРИЙ
Изотоп водорода, содержащий два "лишних" нейтрона - тритий 3H, или T, имеет период полураспада 12,26 года. Количество природного трития на Земле не превышает четырех килограммов. Но поскольку на его реакции с дейтерием основано действие термоядерного оружия, современные запасы трития исчисляются десятками килограммов. Откуда же он берется?
В природе тритий образуется при бомбардировке нейтронами космического излучения атомов азота воздуха:
147 N + n = 31T + 3 42 He.
А в реакторах деления тритий получают за счет взаимодействия с нейтронами ядер лития:
63 Li + n = 31 T + 42 He.
Эта реакция проходит гораздо интенсивнее, чем природная, поэтому и количество трития удается поддерживать на должном уровне.
Дейтерий 2H, или D, стабилен, в природе имеется, хотя и в очень малых количествах - 0,015% общего количества водорода. Обыкновенная вода рек, озер, морей и океанов хранит его в молекулах D2O - "тяжелой воды". Масса дейтерия в два раза больше массы водорода, поэтому скорости химических реакций между веществами, их содержащими, могут отличаться раз в 5 - 10. Эту особенность и используют для выделения дейтерия, применяя многоступенчатый электролиз воды, "выпаривание" жидкого водорода и другие методы.
