Ядерные энергетика. Утилизация радиоактивных отходов Ядерные энергетика. Утилизация радиоактивных отходов

Термоядерные реакторы

Прежде чем термоядерный реактор станет реальностью после получения демонстрационной реакции, ему, так же как и ядерному реактору, предстоит долгий путь развития. Давайте посмотрим, каким бы мог быть такой реактор.

На рис. 9.10 изображена схема D-Т-термоядерного реактора в виде сечения тора. В своей основе термоядерный реактор будет напоминать луковицу, состоящую из многих слоев. В центральной части реактора будет находиться плазма. Она будет заключена внутри основной тороидальной вакуумной камеры, имеющей диаметр около 20 м. Радиус плазмы будет составлять примерно 2 м. Эта камера будет окружена бланкетом с литием или с одним из его соединений, в котором кинетическая энергия нейтронов преобразуется в тепло и одновременно производится тритий. Следующий слой представляет собой радиационную защиту. Она служит для предохранения внешних конструкций, особенно сверхпроводящих катушек, которые создают магнитное поле, удерживающее плазму. Бланкет и защита будут иметь толщину до 2 м. Тепловая мощность такой установки может быть от 1 до 5 ГВт. Тепловой поток через стенки вакуумной камеры оказывается при этом значительным (от 1 до 10 МВт/м2), близким к тепловому потоку из топливных элементов быстрого реактора. Он будет ограничиваться: способностью отводить тепло, выделяющееся за счет нейтронов, поглощенных в бланкете, и повреждениями, образующимися из-за облучения высокоэнергетическими нейтронами тонкостенного стального корпуса.

Создание такого реактора требует решения большого числа технических и инженерных задач, многие из которых относятся к области теплофизики. Были предложены различные виды теплоносителей для отвода тепла из бланкетов в теплообменники для производства пара. Для этого можно использовать сам литий либо другой жидкий металл, хотя сильные магнитные поля вызывают в потоке очень большие перепады давления, а это, в свою очередь, приводит к потерям на прокачку теплоносителя. Другим способом является использование газового теплоносителя, но при этом ограничивается допустимая плотность энергии через стенку вакуумной камеры.

Рис. 9.10. Дейтерий-тритиевый термоядерный реактор и процессы, в нем происходящие:

1 - дейтерий и тритий нагреваются вместе в камере до очень высокой температуры; 2 - эти изотопы соединяются и образуют гелий с выделением энергии; 3 - энергия в основном выделяется с высокоэнергетичными нейтронами; 4 - получившийся гелий отсасывается; 5 - нейтроны разлетаются и попадают в литиевый бланкет, размещенный вокруг области реакции; 6- в этом бланкете нейтроны реагируют с литием с получением трития и гелия, нагревают бланкет: 7 - тепло отводится для производства пара, используемого при получении электроэнергии; 8 - дейтерий; 9 - экстракт трития; 10 - вывод гелия; 11 - тритий, полученный в бланкете, возвращается в систему в качестве топлива; 12 - турбина и генератор; 13 - парогенератор; 14 - электроэнергия

Решения этих и других инженерных проблем ищутся и будут использованы в проектах последующих поколений токамаков. Из-за масштабности экспериментов все основные страны, развивающие термоядерные программы, участвуют в совместных работах по проектированию реактора INTOR (International Tokamak Reactor - Международный Реактор Токамак).

С точки зрения воздействия на окружающую среду термоядерные реакторы имеют некоторые преимущества перед ядерными реакторами. Отходом реакции синтеза является гелий - газ не активный, поэтому проблемы, связанные с сильно радиоактивными веществами, не возникают. Конструкции самого реактора будут сильно радиоактивными и потребуют дистанционного обслуживания. Но эта радиоактивность исчезнет через сотни, а не через десятки тысяч лет. Тритий, используемый в реакторе, представляет биологическую опасность, а так как он является изотопом водорода, то требует тщательного хранения и защиты от аварий, связанных с пожарами.

В заключение можно сказать, что хотя потенциальная радиационная опасность за счет термоядерных реакторов будет меньше по сравнению с ядерными реакторами, потребуется тщательная проработка на стадии инженерного проектирования вопросов обеспечения их безопасности.

При освоении термоядерной энергии в дополнение к ядерной, ядерная энергетика дает человечеству практически неограниченный источник энергии. Центральная роль энергетики в нашей экономической структуре ясно проявляет себя на протяжении 10 лет после нефтяного кризиса. Ядерная энергия представляет собой надежный источник на ближайшее будущее, а термоядерная энергия является огромным потенциалом для более отдаленного времени.

Конечно, до сих пор остается много нерешенных проблем, и использование ядерной энергии потребует бдительности и внимания к техническим деталям, если будет продолжено это очень успешное начало. Не последними из этих проблем являются и задачи отвода тепла, выделяющегося в ядерной реакции, и его эффективное использование при производстве электроэнергии.

Таким образом, мы не просим извинения за то, что написали эту книгу с нашей собственной точки зрения, точки зрения инженера-теплофизика.

К тому же, существует огромное количество общественных и организационных проблем, требующих разрешения, прежде чем весь потенциал ядерной энергетики сможет быть реализован. Развитие международного сотрудничества в этой области может послужить примером для других областей человеческой деятельности и сделать более удовлетворительным наше существование на этой прекрасной планете.