Энергию будущего даст разработка советских времен

На ежегодной встрече в Атланте физики из исследовательской группы D-III (читается как «дэ-три») представили результаты, из которых следует достижимость в токамаках сразу трех важных для будущих термоядерных электростанций качеств: стабильности, высокой мощности и эффективности использования топлива.

Энергетика будущего

Если взять два атомных ядра легких элементов и слить их вместе – выделится энергия. Такой процесс, называемый термоядерным синтезом, можно назвать источником энергии будущего по многим причинам.

Во-первых, легких элементов много. Например дейтерий (водород, в ядрах атома которых наряду с протоном есть и нейтрон) содержится в обычной воде, а тритий (водород с двумя нейтронами) получается из довольно распространенного лития.

Во-вторых, слияние атомов дает очень много энергии. При взрыве термоядерной бомбы используется всего несколько сотен килограмм «горючего» и это заменяет миллионы тонн обычной взрывчатки. Если вместо взрыва то же термоядерное топливо сжечь в медленной реакции – дейтерия, содержащегося в струйке обычной воды из крана, легко хватит на освещение и отопление такого города как Москва.

В-третьих, продукты термоядерных реакций не радиоактивны. Сама реакция, конечно, дает излучение, но как только термоядерная плазма гаснет, никаких радиоактивных отходов не остается. Немного «фонят» лишь части реактора, но не столь существенно, как ядерные реакторы, да и радиоактивность таких отходов будет снижаться на порядки быстрее, чем отработанного ядерного топлива.

Термоядерные электростанции могли бы навсегда решить проблему энергии: нефть, уголь и природный газ стали бы для электростанций не нужны в принципе. Ушли бы в прошлое дымовые трубы ТЭЦ, можно было бы радикально сократить объем радиоактивных отходов, мировые рынки уже не были бы столь жестко привязаны к нефти и газу.

Солнце в лаборатории

Мешают наступлению новой эры в энергетике прежде всего условия, при которых зажигается термоядерное пламя. Для начала реакции нужна температура в сотни миллионов градусов, но эта проблема уже решена: подрывом ядерного заряда зажечь дейтерий-тритиевую смесь можно – вопрос в том, как управлять процессом дальше.

Реактор, который при достижении нужной температуры моментально испаряется и оставляет на своем месте воронку диаметром в сотню метров, явно не подходит. Процесс должен идти в контролируемых условиях, внутри какой-то специальной установки... но как?

В попытках обуздать термоядерные реакции ученые пробуют разные способы. Например, можно взять очень маленькое количество топлива и подорвать его фокусировкой лазерных лучей. Что, конечно, приведет к взрыву, но маленькому и по сути безвредному, как взрыв бензиновой смеси в автомобильном двигателе.

А можно взять специальную систему магнитов, поместить внутрь нее вакуумную камеру и попытаться воспользоваться тем, что плазма может проводить электрический ток. В магнитном поле плазму можно вытянуть в шнур и подвесить внутри вакуумной камеры – энергия будет выделяться меньше, чем при одной вспышке, но зато постоянно. Токамаки и стеллараторы – так называются два основных типа ловушек и об одном из них, токамаке, как раз и шла речь в докладе физиков из D-III, международного центра в США.

Токамак

Токамак – это сокращение от слов «тороидальная камера с магнитными катушками». Тор – фигура в виде бублика, и магнитное поле позволяет свернуть плазму в кольцевой шнур. И основная проблема токамака, как и других магнитных систем, состоит в том, чтобы удержать раскаленное облако плазмы внутри установки и не дать ему при этом погаснуть.

А если не удержат?

Если плазма коснется стенок, то, несмотря на сверхвысокую температуру, ничего не произойдет: у плазмы слишком мала плотность и проплавить реактор она не в состоянии. Кстати, температура облака из электронов внутри обычной люминисцентной лампы может достигать тысяч градусов, просто в смеси с куда более холодными ионами это не приводит к каким-то плачевным последствиям.

Проблема удержания плазмы, проблема ввода в реактор топлива, проблема его разогрева до рабочих температур – из-за них построить промышленный или хотя бы полноценный экспериментальный реактор не удается уже почти полвека. Экспериментальный реактор ITER, строительство которого затягивается по организационным и финансовым причинам, может стать первой установкой, которая даст больше энергии, чем затратит – но не раньше 2016 года.

И в гонке за термоядерными реакторами токамаки все еще могут проиграть лазерным импульсным установкам – по крайней мере, так считалось до недавнего сообщения ученых из D III. Исследователи смогли показать, что существует такая конфигурация плазменного облака, при которой одновременно плотность плазмы максимальна, а потери энергии на образование лишних и мешающих зажечь реакцию вихрей сведены к минимуму. Кроме того, при повышении плотности плазмы растет плотность и электрического тока в ней, а чем плотнее ток, тем проще управлять плазменным сгустком при помощи магнитов.

Таким образом, контролируемость реакции, максимальная мощность и эффективность достигаются на токамаках одновременно по крайней мере в теории. Удастся ли воплотить эту теорию на международном реакторе ITER – покажет время, но в споре токамаков с лазерными термоядерными установками появился новый весомый аргумент.