В термоядерной энергетике есть ещё один нюанс, который требует глубокого осмысления. Есть чёткая зависимость энерговыделения от размера реактора. Чем больше реактор, тем менее эффективно происходит энерговыделение на единицу объёма, но выделяется больше энергии на единицу площади поверхности реактора.
Как пример - наше Солнце, термоядерные реакции в ядре которого производят мощность в 3,827⋅10 в 26 степени Ватт.
В пересчёте на объём ядра Солнца количество выхода генерируемой энергии получается довольно скромное - 17,8 ватт на м3.
Современный реактор третьего поколения, например "ВВЭР-1200" или "ВВЭР-ТОИ", активная зона которого примерно 72 кв м, выделяет 3212 (3300) МВт тепловой энергии, что в пересчёте даёт 44,61 МВт на 1м3. То есть ядерная энергетика позволяет создавать компактные и мощные источники энергии.
Одной из причин, почему человечество до сих пор не освоило управляемый термоядерный синтез, является ограничение размера вакуумной камеры, в которой будут идти самоподдерживающиеся термоядерные реакции.
Новое поколение ТОКАМАКов (JET, JT-60, Т-15, TFTR), разрабатываемое в начале 1980-тых, по всем тогда известным законам физики должны были достигнуть термоядерного зажигания, но так и не показали даже близко запроектированных параметров.
Проект ИТЭР делается довольно внушительным по своим габаритам. Вероятно, это правильный путь, потому что даже новое поколение компоновок, позволяющие создавать сферические ТОКОМАКи с большими электромагнитными полями, так и не привели к вменяемым результатам, хотя им пророчили большой успех.
Собственно, поэтому так и нет прорывных решений у различных стартапов, занимающихся термоядерной тематикой.
Есть вероятность, что термоядерная энергетика будет эффективна только в больших масштабах.
Вакуумная камера международного экспериментального термоядерного реактора «ИТЭР» имеет объём 1400 м3. Электромагнитные поля должны сжать плазму до объёма 840 м3 и разогреть до температуры 150 миллионов градусов Цельсия.
При объявленной мощности в 500 Мегаватт тепловой энергии и объёма активной зоны следует, что энерговыделение на единицу объёма будет составлять около 595 Ватт.
Да, это в 33,4 раза больше, чем генерируется в солнечном ядре, но в 1335 раз меньше, чем генерируется в активной зоне современного ядерного реактора.
Однако нам известно, что выход термоядерной энергии тем эффективнее, чем в большем объёме идёт реакция синтеза.
Доказательства - физические характеристики термоядерных реакций в недрах сверхмассивных звезд.
Тот же ядерный реактор - хоть и генерирует в 2,5 миллиона раз больше энергии на 1м3, чем это делает солнечное ядро, но выход энергии на площадь поверхности в 1м2 у ядерного реактора равен 38,38 МВт, что в 26,7 раза меньше, чем вырабатывает солнечное ядро.
Дело в том, что до определённого момента меньший объём будет давать меньший выход энергии на площадь, и современные ядерные реакторы подходят вплотную к своему максимуму энергетической эффективности.
- Из таблицы: всё, что выше условного диаметра сферы в 6 метров, уже даёт прирост в выделяемой энергии на площадь сферы.
Учитывая всё это, мощность выделения энергии на 1м2, сопоставимая с мощностью солнечного ядра, будет достигнута в ядерном реакторе, диаметр сферы активной зоны которого равен 138 метрам.
138 метров против 350 тысяч километров…
Тепловая мощность такого гипотетического ядерного реактора будет составлять 61,38 Тераватта.
В итоге ядерный реактор будет иметь аналогичный выход энергии на единицу площади поверхности как у солнечного ядра, но при этом он будет в 62881 менее мощным, чем солнечное ядро, и в 15761263 триллиона раз более компактным.
То есть, если увеличить активную зону современного ядерного реактора до размеров сферы диаметром менее трёх футбольных полей, то энерговыход такого реактора на площадь поверхности превысит энерговыход солнечного ядра.
Вопрос заключается в самой физической реализации подобного проекта, так как сам принцип управления ядерной реакцией деления предполагает физическое регулирование и контроль реакции внутри активной зоны. Контролировать ядерную реакцию деления при больших размерах активной зоны значительно сложнее, чем в малом объёме. Причём сложность управления контролируемой реакции деления ядра возрастает пропорционально с мощностью и размерами активной зоны ядерного реактора.
В термоядерном реакторе подобных проблем нет. Там действует обратный принцип - чем больше активная зона реакта, тем проще контролировать и управлять термоядерными процессами.
Более того, мы доподлинно знаем, что размеры активной зоны термоядерного реактора могут быть циклопического масштаба. Собственно, существование звёзд – то самое доказательство.
Регулирование условий термоядерной реакции осуществляется не внутри активной зоны, а фактически снаружи. После начала самоподдерживающейся реакции синтеза более не требуется прибегать к инжектированию нейтральных частиц в плазму. Контроль реакции осуществляется путём удержания термоядерной плазмы в электромагнитном поле, когда электромагниты находятся за пределами активной зоны термоядерных реакций.
Сопоставимое с солнечным ядром энерговыделение на единицу площади поверхности у управляемого термоядерного реактора типа ИТЭР будет достижимо при диаметре активной зоны 10200 метров, и при общей энергии синтеза в 330,61 Тераватт.
Таким образом, коммерческая и промышленная термоядерная энергетика будут эффективны только в огромных масштабах самого термоядерного реактора.
А теперь давайте представим, что проект ИТЭР достиг всех своих целей и человечество наконец-то получило не только саму возможность изучать термоядерную плазму, но и смогло успешно управлять ею, что открыло дорогу к коммерческой термоядерной энергетике.
Так вот, объём активной зоны термоядерного реактора, который сможет давать аналогичный энерговыход на единицу площади поверхности активной зоны современного ядерного реактора, будет в примерно в 285 тысяч раз больше!
Диаметр активной зоны термоядерного реактора будет 340 метров, объём - 20579526 кубометров, а общая мощность реактора составит не менее 12,2 ГВт.
То есть для достижения необходимого энерговыхода на площадь активной зоны существующих и эксплуатирующихся сегодня ядерных реакторов потребуется создать термоядерный реактор с диаметром активной зоны 340 метров, при этом термоядерный реактор будет мощнее всего в 3,7 раза, чем миниатюрный ядерный энергоблок.
Для любителей пофантазировать сообщаю, что тепловая мощность гипотетического ядерного реактора с подобным размером активной зоны будет составлять более 918 Тераватт.
Подведём итог.
Появление термоядерной энергетики не заменит современные АЭС, особенно в малых масштабах. Ядро урана или другого делящегося изотопа – это уже плотносконцентрированый сгусток энергии, рождённый при слиянии нейтронных звёзд с последующим их взрывом, энергия которого затмевает в тот момент энергию большинства звёзд в галактике.
В ядре урана заключено столько энергии, что не требуется каких-либо экзотических условий для ядерной реакции деления, которые бы не встречались на земле, как это требуется для ядерной реакции синтеза.
Именно поэтому современная ядерная энергетика даёт огромный, по сравнению с термоядерной энергией ядра солнца, энерговыход на 1 кубометр объёма, то есть самой природой ядра тяжёлых радиоактивных элементов лучше адаптированы для работы на малых объёмах с большим энерговыходом, чем реакции термоядерного синтеза.
- Энерговыход за один акт деления ядра урана-235 равен 211,3 МэВ.
- Энерговыход за один акт слияния изотопов водорода ( дейтерия и трития) равен 17,6 МэВ.
Хотя в расчёте на массу вещества термоядерная реакция даёт в 4 раза больше энергии, чем реакция деления ядра.
Термоядерная энергетика имеет неоспоримое преимущество – это сколь угодно большие масштабы активной зоны. И чем она больше, тем лучше и стабильнее будет идти термоядерная реакция синтеза, а управление ею будет более простым.
Ядерный реактор – это компактный источник энергии с ограничениями по размеру активной зоны: чем больше ядерный реактор, тем сложнее осуществлять управляемую реакцию деления ядра.
А чем больше реактор, тем больше капитальных и ресурсных затрат он требует на единицу производимой энергии.
Будет ли оправданно при ограниченной ресурсной базе нашей планеты создавать гигантские термоядерные электростанции взамен ядерным реакторам? Может быть, ядерная энергетика эффективна на малых масштабах, а термоядерная - на больших, и они будут дополнять друг друга?
Насколько выгодна термоядерная и ядерная энергетика для потребностей человечества, поговорим в следующей статье.
Часть 1:
Постскриптум.
Статьи выходят благодаря поддержке подписчиков-спонсоров. Для спонсоров всегда открыто приватное обсуждение, все ссылки на источники и исследования используемые в основе моих статей. Спасибо друзья за поддержку канала!
Подписывайся на канал!