Плюсы и минусы термоядерной энергетики

Больше 80 лет учёные работают над перспективами внедрения термоядерной генерации электроэнергии. Создано множество научных организаций и исследовательских реакторов во всём мире. Многие сообщения о разработках публикуются в оптимистичных тонах. Но на самом деле, существует несколько очень серьёзных проблем, которые требуют инновационных технических решений. Человечество все ещё не смогло отказаться от сжигания нефтепродуктов и сравнительно молодой, но достаточно обременяющей технологии традиционной добычи атомной энергии. Много хлопот доставляют отходы от использования радиационно-ядерных технологий, потому что методы обращения с такими отходами очень дорогостоящие и несовершенны. Несмотря на то, что наука постоянно идёт вперёд, радиоактивные отходы останутся проблемой человечества на столетия.

Теория

Для понимания сути технологии термоядерного синтеза, которая позволяет более экологически и экономно производить энергию, необходимо ознакомиться с некоторыми базовыми понятиями.

В состав ядра атома (в первом приближении) входят протоны и нейтроны (общее название нуклоны). Энергия связи у лёгких ядер увеличивается с повышением количества нуклонов, а у тяжёлых – уменьшается. При добавлении нуклонов в лёгкие ядра или при удалении нуклонов из тяжелых, разница в энергии связи высвободится как разность между затратами на протекание реакции и кинетической энергией освобождённых частиц. Кинетическая энергия элементарных частиц преобразуется в тепловое перемещение атомов. Из-за такого движения (с соударениями и торможением частиц), энергия проявится повышением температуры, а именно, нагревом среды, где проходит такая реакция.

При взаимодействии между собой атомов дейтерия и дейтерия с тритием образуется много высокоэнергетических нейтронов, которые активируют конструкционные элементы реактора. Реакции взаимодействия протия с бором и дейтерия с гелием являются безнейтронными, они не приводят к активированию материалов. Реакция взаимодействия дейтерия имеет недостаток: дейтерий реагирует сам с собой, выделяется умеренное нейтронное излучение. Реакция взаимодействия протия и бора привлекает тем, что в результате получим 3 альфа-частицы, которые могут напрямую подвергаться снятию энергии (они фактически являют собой направлено движущиеся заряды, т. е. ток). В общем, перспективные реакции уже открыты, но их использование для промышленного производства электроэнергии затруднительно.

Преимущества термоядерной энергетики

• Более экологически чистое производство электроэнергии. «Побочными» результатами термоядерной реакции являются такие элементы как гелий-4 (инертный газ, нетоксичен) и тритий, который можно применять в качестве топлива. Применение «вторичного трития» уменьшит топливную составляющую, а значит, энергия будет дешевле.
• Относительная доступность синтезирующих материалов (топлива). Дейтерий без трудностей можно добыть из морской воды. Литий достаточно распространенный элемент в земной коре. Имеется возможность воспроизведения трития в термоядерных реакторах. Для запуска и работы термоядерного реактора при D-Т синтезе нужны только три вышеперечисленных вещества.
• Термоядерные установки, по сравнению с энергообьектами, которые используют нефтепродукты и уголь, не вредят окружающей среде посредством выделения парниковых газов, или аэрозольных загрязняющих веществ.
• Термоядерный синтез не относится к цепным реакциям, из-за этого он подвержен более стабильному и простому контролю. Термоядерная установка, в отличие от термоядерной бомбы, не может взорваться из-за ошибок персонала или поломок оборудования. Из-за конструктивных особенностей термоядерной энергетической установки и небольшого количества используемого топлива взрыв ядра реактора невозможен.
• Более безопасное использование энергообъекта. Эксплуатация термоядерного реактора намного безопаснее атомного. При его повреждении расплавления активной зоны и выброса радиоактивных веществ не происходит, так как при эксплуатации реакцию термоядерного синтеза нужно подпитывать базовым топливом или энергией.

Недостатки термоядерной энергетики

• Активация конструкционных материалов. Несмотря на то, что в активной зоне установки при реакции D-Т синтеза не создаются радиоактивные элементы, излучаемые нейтроны с течением времени производят активацию оболочки реактора. Проблему можно частично решить применением материалов, которые менее чувствительны к радиационному воздействию. В процессе эксплуатации термоядерного реактора небольшое количество радиоактивного трития может быть выброшено в окружающую среду. Период его полураспада (время, за которое он утратит половину радиоактивности) –12 лет.
• Широкое распространение промышленных термоядерных реакторов не прогнозируется раньше середины 21-го века. Технология их использования требует множества доработок и усовершенствований.
• Отсутствие сформированного общественного мнения о безопасности реакторов с термоядерным синтезом. Отсутствуют наработки об особенностях использования таких реакторов в промышленном режиме, их эффектах, а также влияния на окружающую среду и человека.
• Стоимость создания и постройки термоядерных реакторов намного превышает стоимость обычного ядерного реактора деления.
• Необходимо применение дорогих материалов, которые имеют низкую чувствительность к радиации. Такие материалы, по сравнению с обычными, более стойки к радиоактивной активации из-за бомбардировки нейтронами. Например, со сталью, которая применяется при изготовлении корпусов реакторов.

Вывод

Термоядерная энергия не является абсолютно безопасной. Потребуется ещё несколько десятилетий, а может и столетий, для доведения термоядерных установок до параметров необходимой производительности и технической надёжности. Похоже, ближайшие годы человечество будет использовать реакторы на быстрых нейтронах, сжигая достаточно распространенный уран и торий. Даже при условии, что коммерческий результат будет через несколько сотен лет, работы над термоядерными реакторами нужно продолжать, потому что именно их разработка сможет дать новый толчок развитию человечества.