Четвёртый Международный конкурс научно-образовательных
проектов
«Энергия будущего-2006»
Конкурсная
работа
ИТЕР и будущее мировой энергетики
Шифр работы: 04005
Автор работы:
Грицюк Андрей Витальевич
г.
Балаково, Саратовская область
Гимназия
№ 2, 11 «Б» класс
Контактный телефон: 8(8453)321869
E-mail: venom89@inbox.ru
Научный руководитель:
Ерюшкина Людмила Евгеньевна
учитель высшей категории
Гимназии №2
Балаково 2006
Аннотация
В
работе рассмотрен Международный термоядерный экспериментальный реактор и его
преимущества перед атомными реакторами. Проведён анализ возможности создания реактора
подобного типа в настоящее время. Я проанализировал мнения нескольких учёных,
занимающихся изучением и внедрением термоядерной энергии. Цель моей работы - рассмотреть
необходимость Международного термоядерного реактора для развития мировой
энергетики, возможность создания подобного реактора на данный момент развития
отрасли термоядерного синтеза и проанализировать, что ожидает человечество в
случае успеха, а что - в случае неудачи проекта ИТЕР.
Содержание
Введение……………………………...……………………………..………….…3
1. Преимущества термоядерной энергии…………….………………………..…..3
2. Международный экспериментальный
термоядерный реактор……..…………4
3. Необходимость ИТЕР …………………………………………….….………….8
4. Возможно ли сделать термоядерный реактор в настоящее время?….………..9
5. Что ждёт человечество после завершения ИТЕР?…………...………..............10
Заключение……………………….…………………..………...………………..11
Список использованных источников…………………………………………..12
Приложение………………………………………………………………………13
Введение
С каждым годом человечество приближается к глобальному
энергетическому кризису, так как нефть, природный газ, уран и другие источники
энергии близки к истощению, и они не являются абсолютно безопасными и экологически
чистыми. Поэтому человечество находится в поисках альтернативного источника
энергии. Таким я считаю, будет термоядерная энергетика. В своей работе я
исследовал необходимость и особенности Международного экспериментального
термоядерного реактора (ИТЕР), рассмотрел мнения учёных по поводу возможности
создания подобного реактора на данный момент развития человечества.
1 Преимущества термоядерной энергии
Какие же преимущества
имеет термоядерный синтез по сравнению с ядерными реакциями деления? Основное и
принципиальное отличие заключается в отсутствии долгоживущих радиоактивных
отходов, которые характерны для ядерных реакторов деления. И хотя в процессе
работы термоядерного реактора первая стенка активируется нейтронами, выбор
подходящих низкоактивируемых конструкционных материалов открывает принципиальную
возможность создания термоядерного реактора, в котором наведенная активность первой
стенки будет снижаться до полностью безопасного уровня за тридцать лет после
остановки реактора. Это означает, что выработавший ресурс реактор нужно будет
законсервировать всего на 30 лет, после чего материалы могут быть переработаны
и использованы в новом реакторе синтеза. Эта ситуация принципиально отличается
от реакторов деления, которые производят радиоактивные отходы, требующие
переработки и хранения в течении десятков тысяч лет. Кроме низкой
радиоактивности, термоядерная энергетика имеет огромные, практически
неисчерпаемые запасы топлива и других необходимых материалов, достаточных для
производства энергии в течении многих лет. Для работы ТОКАМАКа необходимо очень
небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрической
мощностью 1 ГВт сжигает около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить,
что все термоядерные электростанции будут производить 10 трлн. кВт/ч
электроэнергии в год, то есть столько же, сколько сегодня производят все электростанции
Земли, то мировых запасов дейтерия и лития хватит на то, чтобы снабжать человечество
энергией в течение многих миллионов лет.
В будущем термояд
позволит преодолеть еще один "кризис человечества", а именно,
перенаселение Земли. Не секрет, что развитие земной цивилизации предусматривает
постоянный и устойчивый рост населения планеты, поэтому вопрос освоения
"новых территорий", иными словами, колонизация соседних планет
Солнечной системы для создания постоянных поселений - вопрос уже совсем
недалекого будущего. Но сегодня, как признаются ведущие специалисты в области
космонавтики, в частности,
директор НАСА Шон
О'Киф, современные
ракетные двигатели уже исчерпали свои возможности и могут использоваться, даже
при условии постоянной модификации, только для исследования околоземного
пространства. Межпланетное сообщение, строительство долговременных комплексов
на "чужих" орбитах возможно только при установке на космических
объектах мощных и экономичных двигательных установок, способных обеспечить
длительных пилотируемый полет, работу в космосе и безопасное возвращение на
Землю. ТОКАМАК и в космосе будет как раз на своем месте.
Именно эти преимущества
побудили основные ядерные страны начать в середине 50 годов широкомасштабные исследования
по управляемому термоядерному синтезу. В Советском Союзе и США к этому времени
уже были проведены первые успешные испытания водородных бомб, которые подтвердили
принципиальную возможность использования энергии ядерного синтеза в земных
условиях. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не
имеет военного применения. В 1956 г исследования были рассекречены и с тех пор
проводятся в рамках широкого международного сотрудничества. Водородная бомба
была создана всего за несколько лет, и в то время казалось, что цель близка, и
что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 50 годов,
получат термоядерную плазму. Однако, потребовалось более 40 лет исследований
для того, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности
сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 г самая крупная термоядерная
установка - Европейский ТОКАМАК (JET) получила 16 МВт термоядерной мощности и
вплотную подошла к этому порогу.
Причиной задержки стала
необходимость решения множества проблем, вставших перед физиками и инженерами в
начале пути. В течение 40 лет была создана наука - физика плазмы, которая
позволила понять и описать сложные физические процессы, происходящие в
реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить не менее сложные проблемы, в
том числе, научиться создавать глубокий вакуум в больших объемах, подобрать и
испытать подходящие конструкционные материалы, разработать большие
сверхпроводящие магниты, мощные лазеры и источники рентгеновского излучения,
разработать импульсные системы питания, способные создавать мощные пучки
частиц, разработать методы высокочастотного нагрева смеси и многое другое.
2 Международный экспериментальный
термоядерный реактор (ИТЕР)
Международный
термоядерный реактор (ИТЕР) базируется на концепции ТОКАМАКов (ТОроидальная
КАмера с МАгнитными Катушками).
Важным достижением
этого поколения ТОКАМАКов было открытие режимов с улучшенным удержанием плазмы
- Н-моды. Именно этот режим был выбран в качестве основного в ИТЭР. Он обеспечивает
термоизоляцию плазмы, необходимую для достижения нужных параметров реактора.
Значения времени удержания энергии в этом режиме на действующих установках и прогноз
для ИТЭР показаны на рисунке 1.
В начале 80-х годов в строй вошло третье поколение
ТОКАМАКов - машин с большим радиусом тора 2-3 м и плазменным током в несколько
МА. Были построены пять таких машин: JET и TORUS-SUPRA в Европе, JT60-U в Японии,
TFTR - в США и Т-15 в СССР. Две из этих машин, JET и TFTR, предусматривали
работу с тритием и получение термоядерного выхода на уровне Qfus = Рсинтез/Рзатрат = 1.
ТОКАМАКи Т- 15 и TORUS-SUPRA имеют сверхпроводящие магнитные катушки, подобные
тем, которые нужны в ТОКАМАКе-реакторе. Основная физическая задача машин этого
поколения заключалась в исследовании удержания плазмы с термоядерными
параметрами, уточнении предельных плазменных параметров, получение опыта работы
с дивертором и др. Технологические задачи включали в себя: разработку
сверхпроводящих магнитных систем, способных создавать поле с индукцией до 5 Тл
в больших объемах, разработку систем для работы с тритием, приобретение опыта
снятия высоких потоков тепла в диверторе, разработку систем для дистанционной
сборки и разборки внутренних узлов установки, совершенствование плазменных
диагностик и др.
К настоящему времени проект ИТЭР прошел
концептуальную и инженерную фазы. За этот период проведены необходимые
физические и технологические исследования, выполнены проектные работы, расчеты
стоимости и анализ безопасности реактора. С середины 2001 года начаты
переговоры о сооружении ИТЭР, а 28 июня 2005 года местом строительства ИТЕР был
выбран город Кадараш во Франции. Я спрашивал себя: “Почему Россия не предложила
свою площадку под строительство ИТЕР, ведь у нас огромный потенциал и очень
сильное развитие энергетики?” Ответ на этот вопрос дал президент Российского
научного центра "Курчатовский институт", член комитета подготовки
ITER Евгений Павлович Велихов:
“Понимаете,
в чем дело: страна, в которой будет расположена площадка, должна будет
заплатить 25 процентов стоимости ITER - миллиард долларов. Это дорого для
России. Мы выдвинули другую инициативу, предложив создать так называемый
"Глориат" - оптоволоконное кольцо вокруг земного шара, которое
позволит передавать 10 Гб информации в секунду. Где бы ни находился ITER,
ученые стран - участниц проекта смогут получать в реальном масштабе времени все
данные диагностики реактора, практически даже управлять установкой”.
Но, узнав,
что Россия потратит порядка 400 миллионов долларов за время участия в проекте
ИТЕР, у меня возник другой вопрос: “А 400 миллионов, не будет ли тоже слишком
большой суммой?” Ответил на этот вопрос Евгений
Павлович Велихов:
“Если не
будем участвовать в проекте, то потеряем все, что было вложено в исследования,
начиная с 50-х годов. Весь наш интеллектуальный потенциал коту под хвост. По существу
мы создаем транснациональную корпорацию, которая будет разрабатывать, и строить
коммерческие термоядерные электростанции по всему миру. Будет у России доля в
этой организации - мы будем участвовать в освоении нового рынка. Кроме того,
важно понимать, что эти деньги не уйдут из страны, они будут вкладываться в
российскую же промышленность. Мы рассчитываем взять на себя наиболее
высокотехнологичные элементы установки, наши оборонные заводы абсолютно к этому
готовы”.
Были созданы трёхмерные модели комплексных
сооружений ИТЕР (рисунок 2 и рисунок 3). Я полностью согласен с решением
участников проекта ИТЕР по выбору места расположения комплекса, потому что в
Кадараше находятся специальные лаборатории и предприятия, всего около 18 сооружений
ядерных исследований.
Основными техническими
задачами ИТЕР являются:
1) В индукционном режиме Q ~ 10 (отношение термоядерной мощности
к мощности нагрева плазмы). Конструкция ИТЭР не должна противоречить возможности
достижения Q = 
2) В стационарном режиме при использовании неиндукционных
методов генерации тока Q ~ 5.
3) Демонстрация применимости термоядерных технологий.
4) Испытание модулей бланкета.
5) Проверка концепции использования модуля бланкета для
воспроизводства трития при нейтронной (14 МэВ) нагрузке 
0,5 МВт/м2 и флюенсе 0,3 МВт·г/м2.
ТОКАМАК в ИТЕР
основывается на магнитном поле, которое удерживает плазму от стен. Его магнитная
система состоит из 18 катушек тороидального поля и шести обмоток центрального
соленоида из сверхпроводника Nb3Sn, а также шести обмоток полоидального
поля и 18 седлообразных корректирующих обмоток из NbTi. Корректирующие обмотки
предназначены для компенсации магнитных полей, связанных с погрешностями сборки
магнитной системы и для стабилизации неустойчивости плазмы. Данная система
может генерировать магнитное поле в 5.3 Т. Этого значения достаточно для
удержания плазмы под контролем и ограничить её контакт со стенами.
Внутри вакуумной камеры
размещаются 421 модуль бланкета с покрытой бериллием первой стенкой и 54
кассеты однонулевого дивертора.
Плазма в ИТЕР будет
иметь ‘D’-образную форму (рисунок 4). На данном рисунке видно,
что радиус плазмы в ИТЕР будет во много превосходить радиус плазмы в ТОКАМАКе JET. Дивертор - один из наиболее критичных компонентов в
токамаке, так как он контролирует количество примесей и должен выдерживать
нагрузку в 10 МВт/м2. Для поддержания термоядерной реакции входящая
в плазму мощность должна равняться 50 МВт, поэтому в индукционном режиме Q ~ 10. В будущих термоядерных реакторах показатель Q планируется
повысить до 30 – 40. Время удержания высокотемпературной плазмы в системе
колеблется от 5 до 50 минут. Контроль над
плазмой будет осуществляться обмотками полоидольных полей, системами перекачки,
заправки и нагревания, соединёнными с диагностическими сенсорами.
Основные параметры
ИТЕР приведены в таблице 1. По данной таблице видно, что многие значения
(например, мощность реакции и объём плазмы) изменились, по сравнению с данными
нескольких предыдущих лет. Это связано с некоторым уменьшением требований к
ИТЕР, потому что это первый термоядерный реактор и достигать в нём значений,
например, мощности реакции в 1.5 ГВт нет необходимости (в самом начале).
Таблица 1 - Основные
параметры ИТЕР
|
Параметр |
Значение |
|
Большой /
малый радиусы тора (A / a) |
6.2 м /
2.0 м |
|
Q |
~10 |
|
Плазменный
объем |
850 м3 |
Продолжение таблицы 1
|
Параметр |
Значение |
|
Тороидальное
магнитное поле |
5.3 Тл |
|
Полная
мощность термоядерных реакций |
500 МВт |
|
Ток плазмы |
15 МА |
|
Длительность
горения |
1800 - 3600
с |
|
Мощность
дополнительного нагрева плазмы |
73 МВт |
В настоящее время
разработан план по строительству ИТЕР в последующие сорок пять лет (Рис.5). По
данному плану видно, что к 2050 году планируется ввести в эксплуатацию все
необходимые сооружения и, самое главное, ввести в строй реактор DEMO, потому что именно он будет производить энергию.
3 Необходимость ИТЕР
В настоящее время, более 85% энергии производимой
человеком получается при сжигании органических топлив - угля, нефти и
природного газа. Этот дешевый источник энергии, освоенный человеком около 200 -
300 лет назад, привел к быстрому развитию человеческого общества, его благосостоянию
и, как результат, к росту народонаселения Земли. Предполагается, что из-за
роста народонаселения и более равномерного потребления энергии по регионам, производство
энергии возрастет к 2050 г примерно в три раза по сравнению с нынешним уровнем
и достигнет 1021 Дж в год. Без сомнения можно сказать, что в
обозримом будущем прежний источник энергии - органические топлива - придется
заменить на другие виды производства энергии. Это произойдет как по причине
истощения природных ресурсов, так и по причине загрязнения окружающей среды,
которое по оценкам специалистов должно наступить гораздо раньше, чем будут
выработаны дешевые природные ресурсы (нынешний способ производства энергии
использует атмосферу в качестве помойки, выбрасывая ежедневно 17 млн. тонн
углекислого и других газов, сопутствующих сжиганию топлив). Переход от
органических топлив к широкомасштабной альтернативной энергетике ожидается в
середине 21 века. Предполагается, что будущая энергетика будет более широко,
чем нынешняя энергетическая система, использовать разнообразные и, в том числе,
возобновляемые источники энергии, такие как: солнечная энергия, энергия ветра,
гидроэлектроэнергия, выращивание и сжигание биомассы, ядерная и термоядерная энергии.
Доля каждого источника энергии в общем производстве энергии будет определяться
структурой потребления энергии и экономической эффективностью каждого из этих источников
энергии.
В нынешнем индустриальном обществе более половины
энергии используется в режиме постоянного потребления, не зависящего от времени
суток и сезона. На эту постоянную базовую мощность накладываются суточные и сезонные
колебания. Таким образом, энергетическая система должна состоять из базовой
энергетики, которая снабжает общество энергией на постоянном уровне по мере
надобности. Ожидается, что возобновляемые источники энергии такие, как солнечная
энергия, сжигание биомассы и др., будут использоваться в основном в переменной
составляющей потребления энергии. Существует два кандидата на роль базовой
энергетики - это термоядерная и ядерная энергии. В настоящее время, для
получения ядерной энергии основными являются ядерные реакции деления, которые
используются на современных атомных электростанциях. Управляемый термоядерный
синтез изучен достаточно для создания первого термоядерного реактора и
получения энергии. Но так как термоядерная энергия находится на стадии доработок
и экспериментов, то в настоящее время базовой энергетикой можно считать
ядерную.
4 Возможно ли сделать термоядерный реактор в настоящее
время?
С помощью электронной
почты я провёл опрос среди научных деятелей по вопросу: Будет ли успешно
завершён ИТЕР? Успешным я считаю, реактор будет, если произведение плотности
плазмы и времени ее жизни превысит критерий Лоусона. На мой вопрос ответило
пять специалистов в области термоядерной энергетики. Ниже приведено несколько ответов:
Сотрудник факультета ПМ-ПУ и НИИ ВМ и ПУ профессор Евгений
Игоревич Веремей:
В токамаке ITER
необходимые температура и давление, безусловно, будут достигнуты. Критерий Лоусона
сейчас уже выполняется, по - крайней мере, на четырёх действующих ТОКАМАКах, в
частности - на токамаке JET. Однако реакцию синтеза пока начинать нельзя - это
слишком ответственно при полном отсутствии опыта. Вот ITER и предназначен для
накопления такого опыта - он будет чисто экспериментальным термоядерным реактором.
За ним последует демонстрационная версия (реактор DEMO), который уже будет
вырабатывать электроэнергию. И где-нибудь в середине века, если всё будет
хорошо, появятся первый промышленный термоядерный реактор.
Представитель Европейского термоядерного центра JET
(Chris Warrick):
Определенно ДА! Проект
ИТЕР был завершен некоторое время назад, и задержка объявления о начале проекта
была связана с выбором участка строительства и расчёт оптимального времени
строительства и стоимости ИТЕР. Хотя ИТЕР использует значительное количество новых
технологий (например: Сверхпроводящие катушки магнитного поля), многие из его компонентов
были уже построены и проверены. В работе они показали себя с очень хорошей стороны.
Все остальные,
ответившие на данный вопрос, единодушно согласились с предыдущими ответами, и
подтвердили возможность создания термоядерного реактора:
Вихрев Виктор Викторович:
“Термоядерную энергию
получат, но она будет намного дороже, по сравнению с другими источниками”
По данным
высказываниям видно, что многие поддерживают проект ИТЕР и убеждены в его
успехе. Но есть и другие, не менее значимые в научном мире люди, которые не
разделяют веру в успех проекта ИТЕР и считают его несостоятельным. Ниже
приведены некоторые из их высказываний:
Экологисты говорят,
что проект ITER поглотит ресурсы, необходимые для поисков более подходящих
альтернативных источников энергии.
Бывший министр науки и технологии Франции Клод Аллегр, известный своими работами в области геохимии,
характеризует ITER как «ещё один проект ради престижа» с «минимальными шансами
на успех».
12 миллиардов
долларов, которые предполагается потратить на реализацию ITER, будут изъяты из
фондов для других исследовательских проектов, «существенно более важных, чем
ITER», – добавляет экс-министр. Одно только строительство установки обойдётся в
5 миллиардов долларов. Франция, как страна-хозяйка, обязалась выплатить
половину от названной суммы.
«Официальные
пресс-релизы описывают процессы, происходящие в ITER, как помещение энергии
звезды в ларец», – говорит Себастьен
Балибар, преподаватель ядерной физики в престижной парижской «Ecole Normale
Superieure». «Нашей проблемой является то, что мы до сих пор не знаем, как
сконструировать такой ларец».
Балибар и его коллеги Ив Помо и Жак Трейнье заявили в своей статье, опубликованной в 2004 году в
«Лё Монд», что термоядерный реактор столкнётся с тремя техническими проблемами
– производство дейтерия и трития, сопротивляемость синтезу и управление
протеканием реакции. По мнению учёных, в рамках ITER участники сконцентрировались
на последнем пункте, полностью игнорируя первые два.
Эдуар Брезен,
президент французской академии наук, считает, что ожидания от реализации
проекта ITER являются слишком оптимистическими. «Нужно быть слишком уверенным в
научно-техническом прогрессе, чтобы рассчитывать на промышленное использование
термояда в течение ближайших 50 лет».Исследования в сфере термоядерных технологий
должны продолжаться, но «ситуация с органическим топливом и глобальное потепление
относятся к числу безотлагательных проблем, и у нас нет 50 лет на поиск их решения.
Нам нужны экстренные меры, и проект ITER не должен отнимать ресурсов у действительно
приоритетных задач», – добавил Брезен.
Стефан Лом
из антиядерной группы «Сорти дю нюклеэр» («Очиститься от атома») назвал проект
ITER опасной технологией, не имеющей будущего. Скорее всего, ITER никогда не
сможет производить энергию. Французское правительство уже сделало ошибку, когда
вложило 9 миллиардов долларов в реактор «Суперфеникс», который не выдал ни одного
ватта электричества. «ITER, без сомнения, будет подключён к энергосетям Франции
– но лишь для того, чтоб забирать электричество для своих нужд», – добавил Лом.
5 Что ждёт человечество после завершения ИТЕР?
Что будет с мировой
энергетикой к концу проекта ИТЕР, не может предсказать никто, но ясно одно к
этому моменту мир изменится, потому что на грани истощения будут основные
ископаемые такие, как нефть и газ. Именно успех проекта может изменить многое. Успех
даст нам источник энергии огромной мощности и возможность получения солнечной
термоядерной реакции, между двумя атомами дейтерия. Сейчас мы приближаемся к
энергетическому кризису, и только новый источник энергии сможет помочь развитию
человечества. По-моему этим источником станет термоядерная энергия. По-моему,
этим источником может стать термоядерная энергия. Но успех не всегда гарантирован.
Получить энергию путём термоядерного синтеза очень сложно. Неудача проекта ИТЕР
может привести к непредсказуемым последствиям.
Заключение
Изучив материалы по
термоядерной энергетике, и пообщавшись с людьми, занимающимися её продвижением
и развитием, я понял необходимость развития термоядерного синтеза. Солнце
служит примером возможности получения энергии таким путём в огромных, почти
неограниченных количествах, нам только нужно понять, как контролировать этот
процесс. Человечество каждый день развивается и совершенствует свои знания на
благо будущих поколений. Теория голографического изображения была выдвинута Денисом
Габором в 1948 году, а её практическое использование стало возможно уже после
изобретения лазера в 60 – ых годах. Теорию о применении термоядерного синтеза
разработали давно, а в 1956 году создали первый ТОКАМАК. С тех пор прошло много
времени, и было проведено множество экспериментов по получению термоядерной
энергии, поэтому я считаю, что человечество готово к её практическому использованию.
Проводя необходимые исследования для создания работы, я полностью “ушёл” в
изучение принципов работы ТОКАМАКов и плазмы. Я абсолютно уверен в успехе
проекта ИТЕР и собираюсь продолжить свою деятельность в данной области.
В заключении я хотел
бы выразить благодарность представителю Европейского термоядерного центра JET
Крису Уарику за консультации в работе и предоставленные материалы.
Список использованных источников
1. Е.П. Велихов, С.В. Путвинский ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. СТАТУС И РОЛЬ В ДОЛГОСРОЧНОЙ ПЕРСПЕКТИВЕ.
Доклад от 22.10.1999, выполненный в рамках Energy Center of the World
Federation of Scientists
2. Термоядерный
ITERнационал Печатное
издание "Итоги" №8 от 26.02.2003.
3. Печатное издание “СОВЕТСКАЯ РОССИЯ” N 68 (12685), четверг, 19 мая 2005
4. http://www.NEWSru.com публикация
от 28 июня 2005 г.
5. http://www.iter.org
6. “Международный симпозиум по ИТЕР в Японии” 24 января 2002
года
7. В.В. Вихрев, В.Д. Королев КРИТЕРИЙ
ЗАЖИГАНИЯ САМОПОДДЕРЖИВАЮЩЕЙСЯ ТЕРМОЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ В Z-ПИНЧАХ Звенигородская конференция по физике плазмы и
УТС, 14 – 18 февраля 2005 года
8. http://www.minatom.ru/News/
9. http://www.efda.org