Разжечь Солнце на Земле. Россия первой запустит полноценный термоядерный реактор
Фото © FuseNet Association / Khang Le
» src=»https://static.life.ru/posts/2019/06/1220245/54ec9c00d0b82275ae74557173e630c7.jpg» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>
Физики Курчатовского института планируют совершить то, что самые развитые мировые державы не могут сделать на протяжении 60 лет. К 2020 году в России может заработать первый термоядерный реактор — источник чистой и дешёвой энергии, призванный заменить обычные атомные электростанции. Такую технологию пытались «оседлать» и раньше, но серьёзных успехов в этом направлении никто так и не достиг.
Фото © ИТАР-ТАСС/ Виктор Воног
С точки зрения физики высоких энергий, использование отдельных элементов в термоядерной «топке» выглядит крайне просто. Термоядерный синтез предполагает, что вместо радиоактивных элементов, таких как уран и плутоний, в качестве топлива в реактор будут загружаться дейтерий и тритий, после чего с помощью электричества конструкция будет разогреваться до температур, которых нет даже на Солнце. После того как температура внутри реактора становится достаточной для начала реакции, происходит постепенный выброс огромного количества тепловой энергии, с помощью которой вырабатывается электричество. Но просто это звучит только в теории, иначе термоядерный синтез был бы поставлен на поток почти сразу после разработки теории и просчёта всей реакции физиками и математиками.
Главная и пока, к сожалению, нерешённая проблема термоядерных реакторов, предназначенных для разогрева дейтерия и трития до температуры в сотню миллионов градусов, — отсутствие эффективности. Если выражаться проще, то удерживать разогретые до состояния плазмы дейтерий и тритий в реакторе учёные научились, но энергия, выделяющаяся во время процесса синтеза, оказывается меньше той, что потребляет реактор. Впрочем, реакцию продолжительной назвать нельзя — со времён первых опытов советских учёных продолжительность реакции увеличили лишь на сотые доли секунды. Успеха не удалось добиться даже самым пытливым в мире физикам — китайским. Их «реактор будущего» под названием EAST разогрелся до 100 млн градусов лишь на тысячные доли секунды — фантастический результат для китайцев, но совершенно отвратительный для коммерческой эксплуатации.
При этом обычного разогрева трития и дейтерия до плазменной «каши» недостаточно. Главная задача термоядерных реакторов (токамаков), которую учёные никак не могут решить на практике, состоит в том, что разогретые частицы нужно удерживать на месте. Только так они будут пригодны для выработки и преобразования тепловой энергии в электричество. При коротких «прожигах» реакторов этого не требуется, но для промышленной эксплуатации необходимы длительные реакции. Добиться этого пока не получается — контроль над системой теряется почти сразу, и термоядерный реактор приходится экстренно останавливать.
Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER). Фото © AP Photo / Claude Paris
Мощность самой производительной в России Ленинградской АЭС составляет 4200 МВт. Расщепления радиоактивных материалов в четырёх энергоблоках достаточно, чтобы осветить огромную территорию. Средняя мощность Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER), который строят во Франции, должна составить 500 МВт за один импульс, а пиковая мощность этого комплекса должна составить 1100 МВт — четверть мощности Ленинградской АЭС.
Инженер-атомщик Владимир Спиридонов в беседе с Лайфом отметил, что кроме использования нового типа топлива и потенциально огромного количества энергии могут сильно уменьшиться и размеры электростанций.
Реактор ITER — это лишь первый шаг. Его размеры велики, но по мере развития технологии такая станция станет меньше. Возможно, со временем размеры всего комплекса уменьшат до размеров офисного здания
Особенность термоядерного синтеза заключается в том, что за сутки таких импульсов может быть десять, а при должном умении — сто и даже более тысячи. После перемножения импульсов на мегаватты выработанной энергии получится, что самая маленькая термоядерная электростанция в разы производительнее атомной. К тому же дейтерий и тритий, используемые в качестве топлива, существенно экологичнее изотопов урана и плутония, да и термоядерный реактор (в теории) почти не надо «перезаряжать».
По сути, термоядерная электроэнергетика — «святой Грааль» человечества. Она способна решить все энергетические проблемы на ближайшие несколько столетий вперёд. Во-первых, после появления термоядерной энергии исчезнет проблема радиационной опасности объектов. Проще говоря, никакого «второго Чернобыля» или «Фукусимы» и близко произойти не сможет. Во-вторых, развитие термоядерного синтеза позволит ликвидировать энергетический голод человечества.
Сейчас все атомные электростанции по всему миру, все ГЭС и ТЭС вырабатывают лишь 2,5 ТВт (тераватт) электроэнергии. Стремительный рост населения спровоцировал и дефицит энергии. Сейчас, по прогнозам специалистов, потребность человечества в электроэнергии оценивается в 10 ТВт — почти в пять раз больше, чем наука и промышленность могут предложить. В-третьих, термоядерный синтез почти сразу станет причиной освоения. Луны.
Дело в том, что, несмотря на достаточное количество дейтерия и трития, идеальным топливом для термоядерных реакторов будущего является гелий-3 — самый лёгкий изотоп гелия. Его практически нет в чистом виде на Земле — для его наработки специальным образом обрабатывают тритий, а процесс этот стоит так дорого, что промышленное производство гелия-3 крайне невыгодно и потому лишено смысла.
Идеальным местом добычи гелия-3 является именно Луна. В лунном грунте гелий-3 лежит в чистом виде, и его даже не нужно обрабатывать: достаточно просто собирать в капсулы специальным комбайном — и можно сразу отправлять на Землю ракетной экспресс-доставкой. Считается, что две тонны гелия-3, разогретые в токамаке или стеллараторе (модернизированный термоядерный реактор), могут дать столько же энергии, сколько 30 млн тонн нефти, сжигаемой в печах ТЭС. Если верить специалистам в области энергетики, лунных запасов гелия-3, необходимого для термоядерного синтеза, будет достаточно для обогрева и освещения Земли в течение следующих шести-семи тысяч лет.
Правда, есть одна проблема. Некоторые физики считают применение гелия-3 в термоядерных реакторах неграмотным и настаивают на том, что все доводы в пользу этого элемента — обычная глупость.
Почему мы до сих пор не смогли построить термоядерный реактор? И сможем ли это сделать вообще?
Да, мы получаем термоядерную реакцию, можем удерживать и нагревать плазму до 100 миллионов градусов по шкале Цельсия. Но этого оказалось мало…
И те элегантные технические решения в середине 20 века, которые сулили нам термоядерную энергетику к началу 2000-х годов (по самым пессимистическим прогнозам), оказались сильным заблуждением.
Да что там говорить! Открыть бозон Хиггса оказалось в разы проще, чем получить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. Такого фиаско от термоядерной энергетики никто не ожидал.
В традиционной атомной энергетике для получения энергии используется реакция деления ядра. В основном, это деление тяжёлого ядра изотопа урана-235, при котором высвобождается около 200 МэВ энергии.
В отличии от тяжёлых ядер, деление лёгких атомных ядер в основном сопровождается поглощением энергии. Тут прослеживается чёткая взаимосвязь. Синтез элементов легче железа в звёздах идёт с выделением энергии, а синтез элементов тяжелее железа идёт с поглощением энергии.
Сама возможность того, что энергию можно получать из самого распространённого вещества во Вселенной, сулит нам решение энергетического вопроса раз и навсегда.
Самыми основными и знаковыми вехами развития термоядерной энергетики считаются:
2. 1950 год. И.Е.Тамм и А.Д.Сахаров разработали схему тороидальной камеры на основе расчётов О.А.Лаврентьева. В камере предлагалось удерживать плазму в сильном магнитном поле, пропуская вдоль оси установки электрический ток. На основе этой идеи будет построена «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками» именуемая сокращённо ТОКАМАК;
3. 1951 год. В США стартует проект «Шервуд», ознаменовавший собой начало термоядерных исследований в стране. В этом же году Л.Спитцер предложил идею замкнутой магнитной ловушки для удержания плазмы – Стелларатора (от английского “stella” — звезда).
4. 1952 год. Первые серьёзные сдвиги в исследовании УТС. Была создана установка “БИГ-1”. На ней осуществили прямые заряды в фарфоровой цилиндрической камере, запитываемой конденсаторной батареей. В этом же году проводятся первые опыты по управлению плазменными образованиями;
5. 1955 год. Запуск тороидальной установки «ТМП» с магнитным полем, которая показала состоятельность идеи ТОКАМАКа;
6. 1956 год. В СССР построена первая в стране ловушка с магнитными пробками (зеркалами) – «ПР-1» (Пробкотрон – 1). Это позволило начать полноценные эксперименты с высокотемпературной плазмой;
7. 1958 год. Постройка первого полноценного ТОКАМАКа.
8. 1961 год. Впервые стабилизировано неустойчивое плазменное состояние (палка Иоффе); проведены эксперименты группы М.С.Иоффе;
9. 1969 год. Впервые достигнуты устойчивые показатели плазмы с температурой более 10 миллионов градусов Цельсия (ТОКАМАК Т-3). Начато строительство ТОКАМАКов по всему миру;
10. 1978 год. Начаты работы над международным проектом «ИНТОР». Это первый серьёзный международной проект, объединявший опыт в создании ТОКАМАКов СССР, США, ЯПОНИИ, ГЕРМАНИИ.
СССР инициировал проект «ИНТОР», конечной целью которого являлась постройка термоядерного реактора с параметрами плазмы, необходимыми для полноценной работы в демонстрационном режиме. На протяжении 2,5 лет инженеры и учёные всего мира сотрудничали в рамках этого проекта. Проект многократно превысил по уровню проработки любой имеющийся на то время термоядерный реактор. Несмотря на впечатляющие достижения в рамках проекта «ИНТОР», учёные пришли к неутешительным выводам.
С тех пор оптимизм учёных поутих. Вместе с ТОКАМАКами строились и проектировались новые открытые ловушки, эксперименты с которыми тоже не дали ожидаемых результатов; сферические токамаки, которые сулили переворот в удержании плазмы, но уперлись в тупик и не прогрессируют. Усовершенствованные “Фузоры”, десятилетиями финансируемые ВМФ США, показали вообще нулевой результат.
Мир попросту устал от постоянных провалов в УТС (Управляемый Термоядерный Синтез) и желал получить его, несмотря ни на что. Проект «ИТЭР» стал ответом на этот вызов.
Самое сложное инженерное сооружение человечества, с самыми передовыми технологиями, с самым тесным научным сотрудничеством между странами – вот что такое проект «ИТЭР».
Все понимают, что подобное достижение цели в УТС не имеет никакой экономической перспективы. Это слишком дорого и сложно. Поэтому каждая из 35 стран участников проекта «ИТЭР» получает равный доступ ко всем исследованиям и технологиям строительства реактора. И поэтому термоядерный реактор строится именно для исследований и отработки параметров и алгоритмов в УТС. Реактор проектируется таким образом, чтобы гарантировать на 100% получение термоядерной реакции с энергетическим выходом в разы большим, чем затрачивается на поддержание термоядерных реакций.
В 2007 году такого параметра «Q» смогли добиться на модернизированном ТОКАМАКе в Китае, где количество полученной энергии превысил количество затраченной на 25% (параметр Q=1,25). Однако этот результат не был подтверждён международной группой учёных, поэтому о нём можно судить только по словам учёных Китая. В «ИТЭР» закладывается коэффициент Q=10.
На «ИТЭР» будут изучать то, что ранее было нам недоступно. Эти знания и определят дальнейшую перспективность освоения термоядерного синтеза. Вполне может получиться так, что для экономически выгодной термоядерной энергетики нужен будет реактор с активной зоной размером с квадратный километр, и можно будет забыть о компактных термоядерных электростанциях размерами с обычный блок АЭС. Изучение плазмы на «ИТЭР» даст полное представление об оптимальной схеме реактора, которая может вообще отличаться от всех ранее известных.
А до тех пор, пока мы не получили результаты по УТС в рамках проекта «ИТЭР», строить термоядерные реакторы – всё равно, что играть в лотерею и надеяться, что вот-вот сорвёшь «Джекпот».
Однако это не останавливает энтузиастов, и в мире независимо реализуются около 20 стартапов, разрабатывающих термоядерные установки. Но об этом поговорим в следующих статьях.
Теперь о проекте на грани научной фантастики. Российские специалисты вместе с иностранными коллегами уже приступили к созданию первого в мире термоядерного реактора, который, если все получится, сможет в промышленных масштабах дать ток.
Романтики называют это «маленьким Солнцем на Земле», а прагматики убеждены, что раз и навсегда решится проблема нехватки чистой и безопасной энергии. Выстроенная в России научная база позволяют не сомневаться и в этом, и в других начинаниях. Что еще готовит одна из самых наукоемких отраслей?
Программа развития атомной энергетики до 2024 года — это около 700 миллиардов рублей инвестиций в наиболее высокотехнологичную отрасль российской энергетики. Деньги пойдут, например, на воплощение проекта АЭС замкнутого цикла.
«Сейчас топливом для атомной энергетики является только уран-235. Если перейти на реактор на быстрых нейтронах, то можно использовать и плутоний. И здесь возникает некое удивительное свойство природы, что плутоний, который вроде бы отходы ядерной энергетики, можно обратно запустить в топливный цикл», — рассказывает спецпредставитель «Росатома» Вячеслав Першуков.
Другой пункт программы — создание АЭС малой мощности. Пример такой станции — «Академик Ломоносов», пришвартованный на Чукотке. Однако еще более заметная и наукоемкая часть нацпрограммы посвящена даже не просто ядерной, а термоядерной энергетике. Потенциально самой безопасной и чистой.
«У вас кислород не израсходуется и ничего не выбрасывается. Если вы сделаете так, что у вас не будет отработавшего ядерного топлива, то есть вы замкнете топливный цикл, то у вас не будет никаких отходов и плюс безопасность», — поясняет президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук.
Топливо для термоядерного реактора — неисчерпаемые земные запасы изотопов водорода. Однако для того, чтобы на выходе получить энергию, исходное вещество нужно нагреть до температуры в несколько десятков миллионов градусов и обуздать эту раскаленную плазму.
«Несмотря на то, что термоядерная энергетика, наверное, это вопрос не завтрашнего дня и, может быть, даже не послезавтрашнего дня, эту работу надо вести, начинать именно сейчас для того, чтобы не отстать в этом технологическом развитии от крупных мировых держав», — отмечает директор направления научно-технических исследований и разработок «Росатома» Виктор Ильгисонис.
Россия в этом смысле безусловный лидер. Первый термоядерный реактор под названием «Токамак» собрали еще советские ядерщики. Они предложили удерживать плазму в рамках мощнейшего магнитного поля, как это происходит на Солнце.
За полвека наша технология превратилась в стандарт. Так что когда ведущие страны мира договорились вместе создать общий термоядерный реактор, было решено строить его по принципу нашего «Токамака». Сборка гиганта этим летом началась на оборудованной площадке во Франции. На правах первопроходцев россияне разработали и поставят ключевые элементы конструкции.
«Предприятия, которые эти технологические разработки ведут, они являются, по существу, некими центрами технологического роста. У нас в стране 60 таких центров технологического роста только благодаря тому, что Россия получила в этом проекте заказ от международного сообщества на создание 25 систем этого реактора», — сообщил директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Красильников.
Сборка реактора займет пять лет, выход на проектную мощность — еще 10. И только тогда станет ясно, удается ли в последующие десятилетия обуздать энергию солнца. Однако получить выгоду от малых термоядерных реакторов российские ученые собираются гораздо раньше. Национальная программа развития атомной энергетики до 2024 года включает разработку спаренной станции — АЭС с термоядерным «Токамаком».
Строительство такой станции может начаться после того, как Курчатовский институт закончит проектирование — и не во Франции, а в России.