Наверх

Перспективы развития термоядерной энергетики и энергетических станций на основе инерциального термоядерного синтеза

13 Ноября 2013
Газета «Энергетика и промышленность России» — № 21 (233) ноябрь 2013 г., 13.11.2013

Исследования и прогнозы в области развития отраслей топливно-энергетического комплекса (ТЭК), проведенные отечественными и зарубежными специалистами, показывают неуклонный рост производства и потребления как первичных энергетических ресурсов (ПЭР), так и производимой из них электрической и тепловой энергии.

Данный рост обусловлен ростом производительности труда и уровня жизни населения. В сентябре и ноябре 2011 года Администрация по информации в области энергетики при Министерстве энергетики США (Energy Information Administration — ЕIA) и Международное энергетическое агентство (International Energy Agency — IEA) опубликовали прогнозы развития мирового ТЭКа до 2035 года, в которых подробно рассмотрены показатели производства и потребления традиционных ПЭР: нефти, угля, природного газа, а также электрической и тепловой энергии. По средним вариантам обоих прогнозов до 2035 года ожидается рост всех видов ПЭР. При этом, согласно прогнозу ЕIA, рост потребления ПЭР в мировом масштабе ожидается с 17,865 миллиарда тонн условного топлива (т. у. т.) в 2010 году до 27,710 миллиарда т.у.т. в 2035 году при ежегодном темпе роста потребления порядка 1,8 процента.

Согласно прогнозу IEA, ожидается несколько меньший рост — с 19,421 миллиарда т.у.т. в 2010 году до 25,800 миллиарда т.у.т. (ежегодный темп роста 1,05 процента). При этом оба прогноза показывают тенденцию к снижению доли потребления органических видов топлива и, соответственно, рост доли потребления неорганических видов топлива: с 16,5 процента до 20,9 процента (прогноз ЕIA) и с 19,0 процента до 25,0 процента (прогноз IEA). Данная тенденция обусловлена стремлением ограничить в долгосрочной перспективе до 2035 года выбросы в атмосферу парниковых газов от сжигания на тепловых электростанциях органического топлива.

Согласно прогнозам «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», в сравнении с 2008 годом к 2020 году удельная энергоемкость внутреннего валового продукта к показателям 2000 года возрастет с 66,7 до 78 процентов, удельная электроемкость ВВП — с 71,5 до 76,4 процента, а объем потребления ПЭР — с 0,9909 миллиарда т.у.т. в 2008 году до 1,043 миллиарда в 2020 году.

Газета «Энергетика и промышленность России» — № 21 (233) ноябрь 2013 г.
Среднегодовые темпы прироста уровня электропотребления в Российской Федерации в соответствии с прогнозным балансом на 2012-2030 годы

В таблице показаны максимальный, базовый и умеренный варианты прогноза электропотребления на 2012-2030 годы (по данным ЗАО «Агентство по прогнозированию балансов в электроэнергетике»). Показанные выше тенденции роста потребления ПЭР наряду с долгосрочной тенденцией к увеличению стоимости органического топлива, истощением легкодоступных залежей природных ископаемых, негативным экологическим воздействием энергетики на органическом топливе и весьма неоднозначным отношением в мире к вопросам безопасности традиционных (основанных на реакции деления атомных ядер элементов) атомных электростанций (АЭС) вынуждают человечество искать новые пути решения «энергетического вопроса».

Одним из таких путей, по мнению ученых-физиков, является развитие энергетики, основанной на выделении энергии за счет реакций термоядерного синтеза. Взрыв водородной бомбы — пример выделения энергии термоядерного синтеза в неуправляемом режиме. Для практического применения этой энергии ее выделение необходимо перевести в управляемый режим: эта задача называется управляемый термоядерный синтез (УТС).

Проблема практического использования УТС является одной из глобальных мировых проблем, ориентирующих человечество на использование термоядерной энергии в мирных целях. Эффективное ее решение позволит овладеть экологически чистым, безопасным и практически неисчерпаемым источником энергии.

Работы в этой области, развернутые академиком И. В. Курчатовым в 50‑х годах XX века, увенчались успешным созданием ряда поколений специальных установок типа ТОКАМАК, работа которых основана на схеме магнитного термоядерного синтеза (МТС) с удержанием высокотемпературной плазмы термоядерного горючего в магнитном поле.

Газета «Энергетика и промышленность России» — № 21 (233) ноябрь 2013 г.
Рис. 1. Основные стадии ИТС в концепции прямого сжатия:
1 — нагрев, 2 — сжатие, 3 — поджиг, 4 — горение

Международная программа построения демонстрационного термоядерного реактора, основанного на схеме МТС, решается сейчас в рамках проекта ИТЭР (International Ternonuclear Experimental Reactor) при участии России, Китая, Индии, Южной Кореи, США, Японии и Европейского Союза.

Другим, не менее перспективным направлением в реализации управляемого термоядерного синтеза является создание энергетических станций на основе инерциального термоядерного синтеза (ИТС). В рамках подхода ИТС с помощью лазерного излучения или интенсивных ионных пучков проводится быстрое сжатие микроскопических мишеней, содержащих термоядерное дейтерий-тритиевое топливо (DT-топливо), до огромных значений плотности и температуры, требуемых для эффективного термоядерного горения вещества.

Начало инерциальному подходу в нашей стране положила работа Н. Г. Басова и О. Н. Крохина, в которой показана принципиальная возможность применения излучения лазеров для нагрева плазмы до термоядерных температур. Пионерские эксперименты по достижению высоких плотностей термоядерного топлива с помощью лазерного облучения начались под руководством Н. Г. Басова в Физическом институте им. П. Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) в середине 1960-х годов. Первая установка «Кальмар» (энергия лазера 200 Дж) позволила, впервые в мире, достичь плотности сжатия топлива 10 г / см3 (что в пятьдесят раз превышает плотность топлива в твердом состоянии). В дальнейшем программы работ по ИТС с лазерным драйвером на уровне энергии лазеров 1-100 кДж активно развивались в США, Японии, России. В настоящее время построены новые лазерные установки c энергией до 2 МДж (установка NIF, США и установка LMJ, Франция). В России в 2012 году стартовал проект построения самого мощного в мире лазера (установка УФЛ-2М с энергией до 2,8 МДж, Российский федеральный ядерный центр в Сарове). Все перечисленные установки в настоящее время работают в однократном режиме облучения и используются преимущественно для демонстрации зажигания, а также научной и технической рентабельности ИТС, когда энергия, выделившаяся в термоядерных реакциях, превышает вложенную энергию.

Примером действующих термоядерных реакторов ИТС являются Солнце и звезды. К настоящему времени в ведущих лабораториях мира продемонстрировано, что в результате взаимодействия лазерного излучения с топливной мишенью в объеме менее 1 кубического сантиметра на мгновение рождается «Солнце» и выделяется энергия термоядерного синтеза.

Газета «Энергетика и промышленность России» — № 21 (233) ноябрь 2013 г.
Рис. 2. Топливные мишени для трех концепций облучения:
(а) прямое облучение, (б) непрямое облучение, (в) прямое зажигание;
1 — стенка оболочки, 2 — криогенный DT-слой, 3 — DT-пар, 4 — цилиндрический конвертер, 5 — направляющий конус.

Актуальной проблемой в современных исследованиях становится разработка энергетической станции на основе ИТС — инерциальной термоядерной энергетической станции (ИТЭС), которая могла бы экономически конкурировать с традиционными источниками энергии.

Планируется, что демонстрация работы первой пилотной установки ИТЭС, работающей в непрерывном режиме выработки электроэнергии, произойдет к 2025 году. Для обеспечения непрерывного режима генерации энергии подача топлива в центр реакторной камеры ИТЭС должна осуществляться с частотой 1-15 Гц. Первая лазерная установка, которая будет работать в частотном режиме, создается в настоящее время в рамках Европейского проекта HiPER. В США существует долгосрочная программа LIFE построения к 2040 году действующей ИТЭС.

Остановимся подробнее на процессах, происходящих при реакции синтеза ядер и на принципе действия инерциальной термоядерной энергетической станции (ИТЭС).

В процессе слияния (синтеза) ядер атомов легких элементов образуются более тяжелые элементы, при этом выделяется избыточная энергия в виде кинетической энергии продуктов реакции.

Непроизвольному протеканию процесса слияния ядер препятствуют электрические (кулоновские) силы расталкивания. По мере сближения двух ядер электрическая сила расталкивания возрастает, согласно известному из школьного курса физики закону Кулона, обратно пропорционально квадрату расстояния между этими ядрами. Таким образом, для того чтобы ядра слились (произошла реакция синтеза) и образовали новый элемент, выделив при этом избыток энергии, необходимо совершить работу против электрических сил расталкивания.

Наиболее легко осуществить слияние ядер тяжелых изотопов водорода — дейтерия (D) и трития (Т) или дейтерия и дейтерия. Количество тяжелой воды, содержащей дейтерий, в мировом океане составляет около ~1015 тонн. Радиоактивный изотоп водорода, тритий, в естественном виде в природе не существует, но может быть получен в результате ядерных реакций (например, при облучении лития-6 нейтронами). При слиянии ядер дейтерия и трития образуется новый элемент — гелий с атомной массой, равной четырем (4He), и один нейтрон (n). Эта реакция сопровождается выделением энергии 17,6 мегаэлектронвольта (МэВ).

Важно отметить, что до реакций синтеза ядра дейтерия и трития обладают энергией около 10 килоэлектронвольт, в то время как являющиеся продуктами данной реакции ядра трития и гелия имеют в тысячу раз большую энергию (измеряемую уже в мегаэлектронвольтах). Скорость протекания D + D реакций при температуре в диапазоне 1-10 кэВ примерно в 630-50 раз меньше, чем в случае реакции D + T. Следовательно, в последнем случае значительно проще достичь условий, при которых выделившаяся термоядерная энергия превзошла бы затраты энергии на инициирование этого процесса (то есть была бы достигнута упомянутая выше техническая рентабельность, что очень важно при создании термоядерной электростанции).

Описанные выше термоядерные реакции были положены в основу технологического процесса производства энергии на ИТЭС, схематически показанного на рис. 1.

Остановимся теперь подробнее на вопросе — что такое топливная мишень? К настоящему времени исследованы три возможные схемы облучения мишени светом лазера: прямое облучение, непрямое (или рентгеновское) облучение и прямое зажигание (или быстрый поджиг).

Структура и параметры топливной мишени существенно зависят от энергии излучения, а также от схемы выбранной концепции облучения (см. рис. 2), в результате которой достигается высокая плотность сжатия и нагрев топлива.

Однако, как видно из рис. 2, конструкции мишеней для каждой из перечисленных схем имеют общий элемент — сферическую капсулу (или оболочку, обычно изготавливаемую из полимерного материала), содержащую дейтерий-тритиевое топливо (или DT-смесь). В схеме прямого облучения этот элемент и представляет собой собственно криогенную мишень в её классической конфигурации: полая сферическая полимерная оболочка, на внутреннюю поверхность которой наморожен сферически-симметричный слой топлива (дейтерий или дейтерий-тритиевая смесь).

Отметим, что неотъемлемой частью ИТЭС является фабрика мишеней, задача которой — производство необходимого массива бесподвесных мишеней и их частотная подача в зону лазерного облучения. Одним из ключевых моментов при построении такой фабрики является выбор эффективного метода формирования топливных криогенных мишеней и построение соответствующего устройства для их производства.

Газета «Энергетика и промышленность России» — № 21 (233) ноябрь 2013 г.
Рис. 3. Криогенные мишени для прямого облучения производства Физического института им. П. Н. Лебедева:
(а) инжекция мишеней с частотой 0,1 Гц при температуре —268° С в тестовую камеру модуля формирования; (б) полимерная оболочка диаметром 1,23 мм, толщина криогенного D-2 слоя — 41 мкм.

В зарубежных лабораториях традиционно развивались технологии производства мишени, укрепленной на каком-либо материальном подвесе (нить, капилляр, конус и пр.). Стоимость производства мишеней традиционным способом очень высока — цена за одну мишень составляет не менее 1000 долларов США. Кроме того, этот подход неприменим в энергетических станциях ИТС, так как доставка такой мишени нереализуема в частотном режиме.

В отличие от упомянутых выше зарубежных технологических разработок, Россия (Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, ФИАН) начиная с 1989 года последовательно развивает другой, необходимый в ИТЭС бесподвесный подход при формировании и транспорте криогенных мишеней.

Газета «Энергетика и промышленность России» — № 21 (233) ноябрь 2013 г.
Рис. 4. Схема инерциальной термоядерной электрической станции (ИТЭС)

В частности, в ФИАН разработан метод FST (Free-Standing Targets, что в переводе с английского языка означает «бесподвесные мишени»), в основу которого положен принцип работы с движущимися бесподвесными мишенями, что позволяет формировать криогенные мишени в непрерывном режиме или с необходимой частотой. Метод FST обеспечивает дешевое массовое производство мишеней стоимостью менее 30 центов США за штуку и ниже.

К настоящему моменту накоплен большой опыт и создана соответствующая элементная и технологическая база для создания прототипа установки нового поколения — фабрики криогенных мишеней реакторного масштаба, функционирующей на основе метода FST.

На рис. 3 показаны криогенные мишени для прямого облучения, созданные по оригинальной FST-технологии. Отметим, что по современным представлениям прямое облучение сферической топливной криогенной мишени является наиболее перспективной схемой работы ИТЭС.

Указанный принцип работы с движущимися бесподвесными мишенями, по сути, является принципиально новой альтернативной энергоэффективной и экологически чистой технологией производства электрической и тепловой энергии, основанной на использовании реакторов ИТС.

Практическим воплощением данной инновационной технологии станет создание и развитие электростанций, действующих на основе реакторов ИТС (см. рис. 4, взятый из доклада академика Е. П. Велихова, 1999 г.).

С точки зрения ядерной безопасности ИТЭС, в сравнении с традиционными атомными электростанциями (АЭС) с водоводяными энергетическими реакторами деления (ВВЭР), имеет ряд преимуществ, а именно:

  • годовой вклад в общий радиационный фон ИТЭС с учетом диффузии трития за пределы установки инерциальной термоядерной электростанции не будет превосходить 45 мкЗв / год, что не превышает норму безопасности (50 мкЗв / год);
  • если работа АЭС принципиально происходит в критических условиях (т. е. масса топлива значительно превышает критическую), то реакторы ИТС не имеют этого недостатка;
  • эффективная эквивалентная доза при выработке 1 ГВт электричества на расстоянии 1 км от станции у ИТЭС ниже, чем у АЭС, и составляет 0,25 мкЗв / год против 1,5 мкЗв / год;
  • остаточное радиоактивное заражение от реактора ИТС в ≈100 раз меньше, чем от реактора деления (АЭС).

Важнейшим шагом в программе построения ИТЭС является разработка механического макета реактора (ММР). Запуск ММР позволит:

  • отработать реакторные технологии, связанные с производством и частотной доставкой криогенных топливных мишеней в центр реакторной камеры;
  • решить ряд проблем, связанных с синхронным приходом в данную область собственно самой мишени и импульса лазерного излучения;
  • провести оптимизацию с целью удешевления всех перечисленных процессов;
  • разработать технические требования и рекомендации по практическому применению полученных результатов.

ООО «Центр энергоэффективности Интер РАО ЕЭС» совместно с ФИАН и НИЦ «Курчатовский институт» объединили усилия и последовательно реализуют научный проект по созданию механического макета реактора (ММР). Ученые других институтов и научных центров (таких, как РФЯЦ-ВНИИЭФ в России, Европейский проект HiPER, проект LIFE в США, проект FIREX в Японии, Корейский прогрессивный физико-технический институт в Южной Корее) работают над созданием другого важного компонента ИТЭС — мощного лазера для эффективного облучения мишеней по схеме ИТС. Успех в реализации этих двух направлений позволит создать альтернативную традиционной энергетике и принципиально новую, экологически чистую и эффективную энергетику на основе ИТС.

К настоящему времени программы развития альтернативной энергетики приняты более чем в шестидесяти государствах мира и развиваются вне зависимости от наличия в стране углеводородного сырья. Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к альтернативным источникам энергии, следующие:

  • 1) экологическая: пагубное влияние на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий;
  • 2) политическая: страна, которая освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы;
  • 3) экономическая: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности.

Д.ф.-м.н. Елена КОРЕШЕВА, главный научный сотрудник лаборатории термоядерных мишеней нейтронно-физического отдела Физического института им. П. Н. Лебедева РАН

Владимир НИКОЛАЕВ, руководитель дирекции научно-технической деятельности ООО «Центр энергоэффективности Интер РАО ЕЭС», ассистент кафедры электроэнергетических систем Московского энергетического института