Евгений Драпико: Пришло ли время термоядерной энергетики?

Евгений Драпико Вакуумная камера реактора ITER ITER

Крупнейший в настоящее время термоядерный реактор ITER* вступил в фазу активного строительства в г. Кадараш на Лазурном берегу Франции. Усилиями нескольких стран реактор должен быть запущен к 2020 году, а к 2027-му - продемонстрировать полноценную термоядерную реакцию на дейтерий-тритиевой смеси.

Данная установка относится к замкнутым магнитным ловушкам типа токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитной Катушкой), одному из самых перспективных вариантов магнитного удержания плазмы. Удержание бывает также гравитационным (звезды) и инерционным (лазерная плазма).

В настоящее время для крупной энергетики альтернатив не так много. По-настоящему альтернативную энергетику рассматривать не будем, т.к. на полную смену традиционной она не претендует по целому ряду причин; у такой энергетики есть вполне определенная ниша, которую она со временем успешно и займет (и при современном уровне ее финансирования - весьма скоро).

Ядерная энергетика также имеет свои преимущества и недостатки. В первую очередь, речь о безопасности - как экологической, так и связанной с вопросом нераспространения ядерного оружия, во-вторую - о запасах топлива. Топливом АЭС служит редкоземельный уран, обогащенный по еще более редкому своему изотопу. Реакция деления, происходящая в традиционном ядерном реакторе, имеет положительный энергетический выход за счет разницы масс исходного тяжелого продукта – урана - и осколков деления. Осколки деления, в свою очередь, представляют собой смесь разных элементов и их изотопов, с разной активностью и периодом полураспада. Проще говоря, процесс носит разрушительный характер, да и последствия его будут долго аукаться в виде долгоживущих и высокоактивных отходов. Долго делить не получится по определению.

Схема реактора ITER в разрезе Фото: iter.org

В термоядерном реакторе энергия получается за счет синтеза. Из легчайших в природе атомов водорода получаем чуть более тяжелый гелий, масса которого при этом меньше массы исходных продуктов. Разница – наш энергетический выход, в соответствии с е=мс2, уносимый, как и в случае традиционной атомной реакции деления, нейтронами.

Обычная угольная электростанция потребляет несколько миллионов тонн топлива и производит еще больше углекислого газа. Единственное положительное качество у сжигания любого вида топлива – простота процесса. Любой пионер/скаут, как известно, может разжечь костер одной спичкой. Однако, в далекой перспективе сжигать станет банально нечего. Да и разделить все имеющиеся в доступности тяжелые элементы (ядреный реактор деления) тоже в обозримом будущем вполне возможно. Необходимость в появлении нового источника энергии совершенно очевидна.

Термоядерный синтез, на первый взгляд, выглядит как раз тем, “что доктор прописал”. То же количество энергии можно получить из ванны воды и лития, в количестве, содержащемся в батарее ноутбука. При этом реактор по настоящему безопасен, фактически не производит радиоактивных отходов, не требует редкоземельных элементов в качестве топлива, не производит углекислого газа, но использует самый распространенный во вселенной элемент - водород. И уж совершенно без опасений такой реактор может функционировать в любой радикально настроенной стране, без возможности выработки чего-либо, потенциально грозящего массовым поражением.

То есть все как бы красиво, но... Все оказалось не так просто. Борьбу с водородной плазмой ведет армия ученых, не столь многочисленная по сравнению с протяженностью фронта, уже более полувека. Измерения параметров плазмы, температура которой в термоядерном реакторе выше, чем на Солнце, назвали диагностикой, т.к. в самом начале этой истории уж слишком напоминала она неизлечимого больного.

Для выяснения того, что же происходит с нашим больным, потребовалось создание целого раздела физики - физики плазмы, нового прикладного направления – диагностики плазмы, привлечения множества передовых технологий, новых материалов, новых принципов измерений, параллельных вычислений, сохранения огромных массивов данных

и многого другого, на перечисление чего уйдет не один день. Одним словом, в сравнении с другими принципами выработки энергии, термоядерный синтез - настоящий вызов человечеству. Некоторые технологии стали доступны совсем недавно. У управляемого синтеза не было форы в виде привлекательности для военных. Ведь появлением многих технологий, без которых сложно представить наш современный гуманный мир, мы обязаны стремлению убивать, беречь суверенитет, захватывать ресурсы, скрывать информацию, возвращать в строй раненых, диктовать свои условия и т.п.

Солнце под боком! «…для всех, и пусть никто не уйдет обиженным». И именно Солнце, низверженный древнейший бог, дает нам почву для энтузиазма, т.к. термоядерной реакции, протекающей в Солнце и других звездах, мы обязаны за все, что имеем. То есть буквально за всё: за тепло, за пищу, за редкоземельные элементы, за нефть и газ, в конце концов. И раз уж это работает там, то заработает и тут!

Долгое время термоядерная энергетика оставалась энергетикой будущего. Теперь это не совсем так, задача уже не формулируется “возможно ли в принципе?” - но "сможем ли мы на данном этапе сделать конкурентоспособный реактор, способный выдавать энергию за ту цену, которую люди готовы платить?"

Для полного отказа от невозобновляемых источников энергии предстоит решить многие задачи - научные, инженерные, политические, инфраструктурные, а также социальные. С этой точки зрения, всплеск интереса к солнечной энергетике и электромобилям - на руку термоядерному сообществу. Увлечение “зелеными” технологиями, биотопливом, отказы от атомных электростанций на фоне вполне вероятного энергетического кризиса, кажутся неуместными, но если у человечества будет запрос на действительно “зеленое” существование и энергию, без популизма и громких лозунгов, зовущих, если задуматься, к некоему дауншифтингу, то термоядерный синтез - как раз тот ответ. Но пока запроса нет, не будет и ответа. Отказ от потребительского отношения к окружающему потребует, может быть, нового человека – или, по крайней мере, нового общества.

ITER (изначально аббревиатура International Thermonuclear Experimental Reactor – Международный Термоядерный Экспериментальный Реактор) – международный исследовательский и инженерный проект в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Цель проекта – долгожданный переход от экспериментальных установок по удержанию плазмы к полномасштабному источнику электроэнергии на основе термоядерной реакции.

В качестве площадки для реализации проекта выбран город Кадараш на юге Франции. Проект находится в стадии активного строительства. Финансирование проекта осуществляется семью странами-участницами: Европейский Союз, Индия, Япония, Китай, Россия, Южная Корея и США. Вклад Европейского Союза, как основного участника составляет 45%, наряду с 9% вкладом других стран-участниц. Проектная выходная термоядерная мощность составляет 500 мегаватт, при 50 мегаватт вводимой мощности.

Строительство установки началось в 2007 году, первая плазма ожидается к 2019. На момент своего запуска, ИТЭР будет крупнейшей термоядерной установкой с магнитным принципом удержания плазмы. Длительность разряда плазмы – 1000 с., объем тороидальной вакуумной камеры 840 м3, стоимость всего проекта составляет 15 млрд евро.

Смотрите также: Космонавты МКС экспериментируют с плазменным кристаллом В группе галактик Abel 3266 обнаружен гигантский плазменный шар Поставлен новый рекорд времени удержания плазмы Получена плазма с температурой более 2 млрд. граусов