Реакторы нового поколения

Накопленный человеком опыт эксплуатации ядерных реакторов благотворно сказался на их конструировании. Производители реакторов в Северной Америке, Японии, Европе и России имеют несколько проектов новейших ядерных реакторов, которые либо внедряются в производство, либо находятся в стадии окончания проектирования, или в стадии научно-исследовательских разработок.

Конструктивные особенности этих реакторов увеличивают безопасность условий работы. Электростанции, работающие на таких реакторах, будут более просты в эксплуатации, а, следовательно – надежнее, более доступны для осмотров, обслуживания и текущего ремонта, более экономичны.

Реакторы нового поколения:

• Их конструкция проще, облегчает управление ими и исключает нарушение режима работы реактора в результате ошибок персонала.

• Являются более экономичными и конкурентоспособными.

• Исключают возможность расплава активной зоны реактора.

• Имеют большую доступность для осмотра и ремонта и более длительные сроки службы.

• Обеспечивают более эффективное использование топлива и уменьшают количество ядерных отходов.

• Имеют стандартизированные проекты для каждого типа, упрощающие процедуру лицензирования, уменьшающие их стоимость и сроки строительства.

На новых реакторов применяются так называемые «пассивные» системы безопасности, которые еще называют «системами естественной безопасности». В основе их функционирования лежит действие сил тяжести, тепловая конвекция и т.п. Они не требуют активного вмешательства персонала в случае каких-либо сбоев в работе энергетической установки. Реакторы с такими системами безопасности невозможно вывести в режим неуправляемой цепной реакции деления.

Реакторы будущего: управляемая термоядерная реакции

Ядерный синтез

Ученые давно пытаются воспроизвести в лабораторных условиях процессы термоядерного синтеза. Реакции слияния легких ядер, происходящие на Солнце, дают свет и тепло Земле. Если удастся осуществить такие реакции в земных условиях, энергетические проблемы человечества будут полностью решены. В наших руках окажется практически неисчерпаемый источник энергии.

Существо таких реакций состоит в слиянии легких ядер (к их числу относятся ядра изотопов водорода и лития) при температурах, измеряемых сотнями миллионов градусов. Сегодня еще не найдены надежные методы длительного поддержания столь высоких температур. Интенсивные исследования в этом направлении постоянно продолжаются, особенно в России, Японии, Европе и США. Сейчас трудно предсказать, когда произойдет прорыв, и ученые найдут способ осуществления управляемого термоядерного синтеза. Возможно, в следующей половине нынешнего столетия, а может, раньше.

Извлекать энергию, выделяющуюся при слиянии ядер атомов можно в целом ряде реакций. Однако если оценивать их с точки зрения максимального энергетического выхода и легкости получения исходных продуктов, то выбор не так уж и велик. Таких реакций две:

столкновение двух ядер дейтерия ( D + D )

и

столкновение ядра дейтерия с ядром трития ( D + T ).

В результате обеих реакций образуются ядра изотопов гелия, обладающие высокой кинетической энергией, и быстрые нейтроны, энергию которых также можно полезно использовать.

Дейтерий ( D ) в небольшом количестве присутствует в любой воде и его нетрудно извлекать. Этого горючего у нас вполне достаточно. Свободный тритий ( T ) неустойчив и в природе почти отсутствует. Его получают путем синтеза при взаимодействии нейтрона с ядром лития. Это - дорогое производство.

При очень высоких температурах, когда возможны реакции термоядерного синтеза, никакое вещество не может быть твердым, жидким или газообразным. Здесь существует только четвертое состояние вещества – плазма. Она состоит из электронов и атомных ядер и может существовать в самых разных видах и состояниях: пламя (холодная плазма), тлеющий разряд, солнечная корона. Вещество, находящееся в условиях термоядерной реакции называется высокотемпературной плазмой.

При создании термоядерного реактора нужно затратить энергию на создание плазмы и на поддержание ее температуры. Высокотемпературная плазма должна находиться в вакууме и быть устойчивой все время, пока идет реакция. Никакой материал не выдержит контакта с ней – превратится в плазму сам. С другой стороны, из плазмы энергию уносят нейтроны и электромагнитное излучение. Чтобы использовать энергию нейтронов для получения электроэнергии, доля электромагнитного излучения должна быть меньше. Эти трудности пока не удается преодолеть.

Расчеты показывают, что для получения полезной энергии реакция D + D должна проходить при температуре плазмы 1000 миллионов градусов. Это в 10 раз больше, чем для реакции D + T . Однако реакция D + T , хотя и происходит при более низкой температуре, имеет весьма крупный недостаток: в ней используется тритий. Производство трития очень дорого и использует сгорание лития, количество которого в природе ограничено. Участие лития в термоядерной реакции значительно усложняет конструкцию реактора. Если же удастся использовать реакцию D + D , то энергетический ресурс можно рассматривать как неограниченный.

Управляемый синтез обыкновенных ядер водорода (как это происходит на Солнце), навряд ли достижим на Земле, поскольку такая реакция требует еще более высоких температур.

Задача практического осуществления управляемой термоядерной реакции во многом сводится к задаче получения и удержания высокотемпературной плазмы. При температурах термоядерного синтеза никакие контейнеры для этого использовать невозможно.

Токамак

Учеными предложено несколько способов решить проблему удержания плазмы и ее теплоизоляции. Рассказ о многочисленных возможных путях решения проблемы термоядерного синтеза оказался бы слишком длинным. Остановимся на главных ее направлениях.

Сегодня наиболее остроумным и многообещающим из этих проектов во всем мире признан проект Токамак . Реактор Токамак сконструирован и впервые испытан в конце 60-х годов в Институте атомной энергии им. Курчатова (СССР). Название «Токамак» произошло от сокращения слов «тороидальная камера с магнитным полем». Принципы, на основе которых он работает, основаны на том, что плазма состоит из заряженных частиц, на которые можно воздействовать магнитным полем. В Токамаке дейтериево – тритиевую ( D + T ) плазму удерживает магнитное поле, которое создается тороидальным (в виде бублика) соленоидом. Плазма имеет форму тора и заключена внутри соленоида (на рис. 26 показана красным). Нагревание плазменного шнура на начальных стадиях процесса осуществляется кольцевым током, протекающим по обмотке тороида.

Большое преимущество термоядерных реакций – отсутствие радиоактивных продуктов деления. Однако в термоядерных реакциях испускается, а затем захватывается, большое число нейтронов. Это, как правило, приводит к образованию радиоактивных изотопов. Поэтому вокруг камеры с плазмой предполагается создавать оболочку («бланкет») из лития. В этом случает нейтроны будут производить тритий, который можно использовать в дальнейшем как ядерное горючее. Высвобождающиеся в процессе реакции D + T нейтроны не могут удерживаться магнитным полем, потому что это электрически нейтральные частицы, и на них магнитное поле не действует. Поэтому нейтроны вылетают в охватывающую центр трубки кольцевую зону, наполненную парами лития. В этой области и происходит синтез трития. Одновременно литий переносит поток тепла во внешнюю область. Циркулируя по замкнутому контуру, он нагревает теплообменник. К теплообменнику присоединены турбины, работающие на парах калия. Продуктом сгорания служит газообразный гелий, который образуется в результате реакции ядерного слияния.

Как и всякий проводник с током, столб плазмы окружен ее собственным магнитным полем. Под действием этого поля столб плазмы при определенных условиях сжимается до тонкой плазменной нити. При случайном расширении плазмы в ней возникают токи, задерживающее это расширение. В итоге получается, что плазменный шнур окружен вакуумной изоляцией. Это необходимо для поддержания ее при высоких температурах. Плазма остается стабильной в течение нескольких миллисекунд. Такой реактор может эффективно работать в импульсном режиме. При этом энергия, идущая на нагрев плазменного шнура, мала по сравнению с получаемой термоядерной энергией.

В настоящее время еще не достигнута температура, необходимая для реакции D + T . Возможно, для достижения нужной температуры окажется целесообразным впрыскивать в плазму атомы D и T , разогнанные на ускорителе до высоких энергий. Увеличить время удержания плазмы можно путем увеличения размеров установки. В настоящее время с участием России строится международный реактор Токамак-10 (так называемый проект ITER ), размеры которого достаточны для удержания плазмы в течение времени, необходимого для поддержания термоядерной реакции с положительным энергетическим выходом. Именно на нем планируется отработать принципы конструирования Токамаков для промышленного производства электроэнергии.

Другие пути осуществления реакции ядерного синтеза

Из других методов осуществления управляемого термоядерного синтеза имеет большие перспективы импульсный метод без магнитного удержания плазмы, или способ микровзрывов.

Из смеси дейтерия с тритием изготавливаются маленькие твердые шарики диаметром до 5 мм. Такой шарик облучается одновременно с разных сторон очень мощными лазерными или электронными лучами. Время облучения должно быть очень малым, порядка одной миллиардной доли секунды. За время воздействия облучения шарик не должен испариться полностью. Если успеют испариться только его поверхностные слои, образовавшаяся дейтерий-тритиевая плазма сожмет центральную неиспарившуюся часть шарика до состояния, при котором начинается термоядерная реакция. В импульсном методе нет необходимости в магнитной изоляции плазмы – время протекания термоядерной реакции настолько мало, что реакция завершается до того, как плазма остынет. При использовании метода микровзрывов возникают большие инженерные трудности и реального их решения пока нет.

Третий вид термоядерного реактора предложен российским академиком П.Л.Капицей. Он описал его устройство в своей лекции при присуждении Нобелевской премии. Идея метода состоит в непрерывном нагреве плазмы. В этом реакторе может быть достигнута рекордно высокая температура плазмы и, возможно, именно в нем удастся осуществить не только D + T , но и D + D ядерный синтез.

Огромное значение, которое придается исследованиям в области управляемых термоядерных реакций, продиктовано возрастанием энергетических потребностей человеческой цивилизации, современным состоянием экологической обстановки в мире и резервами природных топливных ресурсов. Если говорить о далеких прогнозах, то оптимальным является, по-видимому, сочетание термоядерной и солнечной энергетики.