ТЕРМОЯДЕРНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ - СТАНЦИИ БЛИЖАЙШЕГО БУДУЩЕГО

В настоящее время электроэнергетика Беларуси представляет собой постоянно развивающийся высокотехнологичный комплекс с единым централизованным оперативно-диспетчерским управлением, состоящим из областных энергосистем, объединенных в энергетическую систему республики, а также иных организаций, осуществляющих строительство, монтаж, ремонт, наладку и реконструкцию объектов электроэнергетики. Управляет этим комплексом Министерство энергетики Республики Беларусь и подчиненное ему Государственное производственное объединение энергетики «Белэнерго» [3].

Энергетический сектор страны имеет целый ряд проблем:

• высокий износ основных производственных фондов [3];
• несбалансированность генерирующих мощностей;
• низкая эффективность инфраструктуры электроэнергетического уровня [3].

Поэтому, чтобы не допустить энергетического кризиса, необходимо осваивать новые виды топлива и способы преобразования его внутренней энергии в электрическую. Одним из возможных направлений является осваивание управляемого термоядерного синтеза (УТС), осуществляемого в термоядерных электростанциях.

УТС в будущем имеет шансы стать одним из основных способов получения энергии благодаря следующим особенностям:

• доступность топлива;
• высокий энергетический потенциал топлива;
• безопасность реакции синтеза относительно реакции деления;
• экологичность реакции синтеза, за исключением радиации, которая меньше, чем при реакции деления.

На сегодняшний день в ряде стран термоядерная энергетика имеет основной и единственный источник финансирования исследований и проектных работ, которым является общий вклад некоторых стран (Япония, США, Россия, Индия, Китай, Республика Корея, Казахстан, Европейский Союз). Годовой расход на ход работы составляет 1.2-1.3 млрд. долларов [1]. Если эту сумму разделить между каждым жителем «работающих» стран, то вклад каждого составит всего несколько долларов, что составляет всего 0.1 % его расходов на электроэнергию и другие энергоносители [1]. По предварительным расчётам предполагается увеличение цены за единицу энергии, вырабатываемой термоядерной электростанцией, в 1.5-2 раза выше [1] нынешних цен на энергию при производстве её нынешними способами переработки энергоресурсов.

Термоядерный синтез представляет собой слияние нескольких атомных ядер в одно с последующим выделением энергии. При этом количество выделенной энергии покрывает расходы энергии на инициацию реакции.

Топливом для термоядерных электростанций (рис.1) может служить дейтерий и тритий ввиду их доступности (изотопы водорода), а в качестве теплоносителя может быть вода.

Дейтерий и тритий при столкновении в рабочей зоне реактора образуют ядро гелия-4 и вылетающий нейтрон:

                                  (1)

 – дейтерий;

 – тритий;

 – гелий-4;

 – нейтрон.

Нейтрон поглощается стенкой реактора (бланкет) и вырабатывает внутри неё тепло. Оно снимается с бланкета первым контуром охлаждения и переносится для испарения воды во втором контуре. Пар под давлением задействует турбогенератор, вырабатывая электроэнергию для нужд станции и потребителям. Затем пар, охлаждаясь в конденсаторе, превращается в воду, которая направляется для испарения первым контуром, и отдаёт тепло на технические нужды, отопление и т.д.

Рисунок 1. Принципиальная схема термоядерной электростанции

Дейтерий и тритий являются изотопами водорода. Дейтерий является стабильным изотопом и широко распространён в воде. Тритий – это изотоп с периодом полураспада чуть больше 12 лет. Его можно вырабатывать при помощи нейтронов и изотопов лития-6. В этом случае количество трития будет вырабатываться с избытком.

При взаимодействии нейтронов и лития-6 ещё образуется гелий в бланкете с последующим его отводом:

                                        (2)

 – литий-6;

 – нейтрон;

 – тритий;

 – гелий-4.

Условия работы термоядерной электростанции предъявляют специфические требования к материалам реактора и технологиям их изготовления. Стенка рабочей зоны должна выдерживать колоссальные нагрузки при воздействии плазмы, хоть они и не имеют физического контакта. Внутренней части стенки необходимо выдерживать длительное тепловое воздействие горячей плазмы, температура которой будет равна 100 млн.°С. Реакция дейтерия и трития излучает радиацию (вылетает нейтрон), к тому же тритий является радиоактивным элементом. При длительном воздействии нейтронного излучения в металле начинают происходить изменения размеров в сторону увеличения, деформируя его. Следовательно, будет происходить разрушение элементов и оборудования термоядерной электростанции, накапливающие продукты деления. Плазма должна удерживаться магнитным полем, что вынуждает изготавливать катушки из сверхпроводников с системой охлаждения для непрерывного удержания плазмы или удерживать её как можно дольше, чтобы выработанной энергии было больше затраченной на запуск реакции синтеза.

Науке пока неизвестны материалы, которые можно было бы использовать длительно на УТС более 6 лет. Величина тепловых потоков и ионизирующего облучения настолько велика, что ни один из известных материалов не может при этом работать 3-5 лет, например, даже в ТВЭЛ-(ах) АЭС. А так как их величина определяется самим рабочим процессом, то и невозможно точно рассчитать, когда конструкция не выдержит [2].

Термоядерные электростанции следует размещать на территориях, закрытых и отдалённых от населённых пунктов. Предполагается использовать в качестве теплоносителя в системе охлаждения воду из созданного рядом пруда-охладителя. Такая вода будет непригодна для питья из-за содержащихся в ней химикатов, которые используются для очистки теплообменников от органических и неорганических образований. Переработку и захоронение отработанных (радиоактивных) элементов станции следует производить на охраняемой от проникновения людей территории. Учитывая радиоактивный фон, необходимо создание дистанционных систем управления и контроля (в первую очередь за реактором).

Однако есть вопросы, требующие тщательной проработки:

• обеспечение энергопотребления, т.к. вырабатываемая мощность может исчисляться гигаваттами;
• радиационная безопасность окружающей среды;
• радиационная безопасность электростанции (в первую очередь реактора) и персонала;
• безопасность удержания плазмы в магнитном поле;
• защита от природных явлений и внештатных ситуаций;
• защита от террористических атак;
• создание компактной установки.

Можно встретить информацию про сложность проекта, его дороговизну, практическую несостоятельность и вовсе о бесполезности этих исследований. Вообще говоря, опыт показывает, что технические проблемы в любой области, как правило, разрешаются при возникновении необходимости. Поэтому не следует оценивать перспективные идеи исключительно с точки зрения научных и технических воззрений сегодняшнего дня [4]. И термоядерные электростанции - станции ближайшего будущего.

Список литературы:

1. Велихов Е.П., Путивинский С.В. Термоядерная энергетика. Статус и роль в долгосрочной перспективе // Глобальная Термоядерная Энергетика. -1999. [Электронный ресурс]. – Режим доступа. - URL: http://thermonuclear.narod.ru/rev.html#vp4 (дата обращения 12.02.2018).
2. Горскин Д. Термоядерный синтеза для производства электроэнергии в России и проблемы этого проекта // Все рефераты. – 2009. [Электронный ресурс]. – Режим доступа. - URL: http://ref.repetiruem.ru/referat/termojadernyjj-reaktor-i-problemy-ehtogo-proekta (дата обращения 12.02.2018).
3. Кропочева Л.В, Комар В.Н., Иванова Е.А. Принципы формирования энергосистемы и перспективы ее развития: пособие. – Гродно: ГрГУ, 2015. – 39 с.
4. Родионов В.Г. Энергетика. Проблемы настоящего и возможности будущего. - М.: ЭНАС, 2010. – 352 с.