Китайский термоядерный реактор проработал 17 минут. Насколько это приближает людей к энергии «рукотворных звёзд»

Учёные уже 60 лет пытаются освоить термоядерный синтез — чистый и неисчерпаемый источник энергии. Несмотря на все прорывы, особых успехов нет (возможно, и не будет вовсе).

В последний день 2021 года китайские учёные сообщили, что их опытный термоядерный реактор EAST нагрел плазму до 70 миллионов градусов и удерживал её 1056 секунд. По мнению руководителя эксперимента, физика-академика Гуна Сяньцзу, это достижение — надёжная основа для запуска рабочего термоядерного реактора, который будет вырабатывать энергию.

Покорение ядерного синтеза приведёт к революции в энергетике — электростанции станут в разы мощнее, при этом будут работать на экологически чистом и практически неисчерпаемом топливе. Однако учёные уже более 60 лет не могут взять термоядерные реакции под контроль, и даже последние достижения несильно приближают человечество к этой цели.

Зачем нужно искать новые виды топлива

Сейчас около 85% энергии в мире люди получают, сжигая уголь, нефть, дрова и торф, как и сотни лет назад. Такое топливо называется химическим, потому что «работает» оно на молекулярном уровне: при горении молекулы распадаются и соединяются в новые, высвобождая химическую энергию, которой атомы в молекулах связаны между собой. Эта энергия выделяется в виде открытого огня, взрыва или тления.

Химическое топливо работает безотказно, но неэффективно: его приходится тратить в больших количествах. Каждые сутки люди сжигают по 20 миллионов тонн угля и 25 миллионов бочек бензина, чтобы электростанции давали ток, котельные — тепло, а транспорт возил грузы и пассажиров. Миру нужно всё больше энергии, но запасы химического топлива на Земле ограничены и не восстанавливаются (на формирование угля и нефти уходят миллионы лет).

Главный же минус химического топлива — оно при горении выделяет в воздух массу опасных для здоровья частиц и углекислого газа, который создаёт на Земле парниковый эффект и приводит к глобальному потеплению. Замена чадящего угля на более чистые нефть и газ не решает проблемы полностью — парниковые выбросы при этом уменьшаются лишь наполовину. К тому же, природный газ сам по себе создаёт в 20-80 раз более сильный парниковый эффект, чем CO2, а полностью перекрыть его утечки при добыче, хранении и передаче вряд ли возможно.

Ядерная энергия: революция, которой не случилось

Кардинальное решение этих проблем учёные предложили ещё в 1930-х годах — перейти с химического топлива на ядерное, которое выделяет энергию не из молекул, а из атомов. В 1954 году в Обнинске заработала первая атомная электростанция (АЭС), доказав расчёты и предположения физиков о высокой эффективности ядерного топлива. Хотя, например, Эйнштейн не верил, что при его жизни (он умер в 1955 году) люди освоят энергию атома.

Раскалывая на куски ядра атомов урана или плутония в управляемой цепной реакции, можно получить в полтора миллиона раз больше энергии, чем при сжигании природного газа той же массы. Один килограмм урана для АЭС заменяет три тысячи тонн угля для тепловой электростанции, это 40-50 железнодорожных вагонов. При этом — никакого горения, дыма, копоти и парниковых выбросов.

Ядерное топливо могло бы полностью покончить с нефтью и газом, если бы не один большой минус: радиоактивность. Ядра атомов урана сами по себе не очень стабильны и понемногу распадаются, излучая радиацию — квантовые частицы, заряженные большой энергией. Они разбивают встречные атомы на отдельные ядра и электроны (ионизируют вещество), что для живых существ убийственно: ткани и целые органы превращаются в кашу, а из-за поломок ДНК начинают расти раковые опухоли.

Радиационное излучение исходит из урана постоянно: при добыче, при перевозке и даже после отработки в атомном реакторе. То есть, ядерные отходы тоже нужно надёжно изолировать от окружающей среды, чтобы не было утечек — например, залить бетоном и закопать поглубже в землю. Помимо этого, уран ядовит для живых организмов — его атомы вклиниваются в клеточные структуры и «ломают» их.

Однако Чернобыль, Фукусима и Челябинск-40 показали: несмотря на все технологии и техники безопасности, аварии с выбросом радиации всё-таки случаются. Эта особенность ядерного топлива так напугала людей, что революции в энергетике не получилось. Тогда учёные предложили нечто получше, просто «перевернув» реакцию.

Как работает термоядерный синтез и в чём его плюсы

Ядерный синтез это «распад наоборот» — два лёгких атомных ядра сливаются в одно ядро потяжелее. Итоговое ядро весит чуть меньше двух изначальных, а разница масс выделяется в виде энергии. Реакции синтеза (слияния) часто называют термоядерными, потому что они обычно проходят при очень высоких температурах — миллионы градусов и выше. Такие реакции имеют ряд преимуществ перед ядерным распадом.

• Термоядерный синтез на единицу массы выделяет в четыре раза больше энергии, чем ядерный распад урана.
• В качестве топлива можно использовать дейтерий — тяжёлый водород, который добывают из морской воды. Это способны делать даже развивающиеся страны вроде Ирана, Аргентины и Пакистана.
• Запасы дейтерия на Земле общедоступны и огромны (0,031% массы всей морской воды), их хватит на миллиарды лет работы термоядерных реакторов даже с учётом роста потребления.
• Термоядерная энергия почти полностью избавлена от проблемы радиации. В реакции участвует радиоактивный тритий, но типичной электростанции нужны будут считанные килограммы трития, к тому же он не так опасен для людей, как уран. Сама реакция производит радиацию в виде потока нейтронов, но он не выходит за пределы реактора, к тому же можно направить его на куски лития и получать из него новый тритий.
• Вероятность, что рабочая зона взорвётся и выбросит радиацию в атмосферу, практически равна нулю. При малейшем нарушении тонко подобранных условий реактор моментально гаснет сам по себе.
  
• Термоядерный синтез — удобный источник энергии для колонизации ближнего космоса и для межзвёздных полётов, так как топливо можно пополнять на месте. Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, также для синтеза можно использовать гелий-3, которого много на Луне, Юпитере, Сатурне и других небесных телах.
• Реакции ядерного синтеза — второй по эффективности источник энергии из всех, что известны современной физике. Лучше них только аннигиляция — прямой переход вещества в излучение, который происходит при контакте с антивеществом. Использовать аннигиляцию в энергетике пока невозможно, потому что антивещество производят в мизерных количествах и один его грамм стоит 25 миллиардов долларов.

Почему так сложно покорить термоядерный синтез

Учёные точно знают, что реакции синтеза работают — хотя бы потому, что за счёт них горят и светятся все звёзды во Вселенной, включая Солнце. Но это знание не слишком помогает зажечь термоядерный синтез на Земле. Точнее, зажечь можно без особого труда, как показали испытания термоядерных бомб, а вот с контролем над реакцией до сих пор большие проблемы.

Два атома должны очень сильно сблизиться, практически врезаться друг в друга, чтобы слиться в новый атом. Однако ядра атомов любого вещества имеют одинаковый электрический заряд (положительный), из-за чего они отталкиваются друг от друга кулоновской силой, которая растёт квадратично по мере сближения зарядов. Поэтому искусственный ядерный синтез становится крайне энергозатратным делом.

Решить проблему отталкивания можно двумя способами: либо сильно сдавить вещество, чтобы атомы «поневоле» сливались друг с другом, либо разогнать атомы вещества до огромных скоростей (например, через сильный нагрев), чтобы кинетическая энергия ядер буквально пробивала кулоновский барьер.

Звёзды комбинируют оба способа, но главную роль играет огромное давление — например, в центре Солнца оно превышает 11 миллиардов тонн на квадратный сантиметр. В таких условиях водород становится в 150 раз плотнее воды, и его атомы начинают соединяться в атомы гелия, выделяя энергию. Однако синтез в недрах звёзд неэффективен: реакция охватывает очень мало вещества в каждый момент времени, так что звёзды по сути не горят, а едва тлеют.

Центр Солнца на единицу объёма выделяет меньше энергии, чем тело человека в состоянии покоя, и может сравниться лишь с компостной кучей. Такую слабость звёзды компенсируют лишь громадными размерами, которых нет у земных реакторов. Поэтому вряд ли есть смысл делать из термоядерного реактора «искусственное солнце». Он должен быть прямой противоположностью любой звезде — максимально компактным и концентрированным источником энергии.

Расчёты показывают, что для стабильной термоядерной реакции в земных реакторах нужна температура в 100-150 миллионов градусов или даже выше. Для сравнения: температура в центре Солнца — всего 15 миллионов градусов. При такой температуре электроны «слетают» с атомов, оставляя голые ядра, так что вещество превращается в плазму — раскалённый газ, в котором бурлят ядра атомов и электроны по отдельности. На порядок более высокая рабочая температура — первое отличие термоядерного реактора от звезды.

Второе отличие — плотность рабочей плазмы. Если в центре Солнца водород синтезируется в гелий при плотности в 10 раз больше, чем у золота, то плазма в типичном термоядерном реакторе имеет плотность в миллион раз меньше, чем у воздуха. Это приводит к парадоксальному эффекту: несмотря на огромные температуры, любое соприкосновение плазмы со стенкой реактора приводит к тому, что она мгновенно гаснет, не причиняя стенке серьёзного вреда (хотя порой всё-таки портит её).

Такая особенность делает термоядерные реакторы очень безопасными, но эта же особенность — нескончаемая головная боль учёных и главное препятствие на пути к освоению энергии ядерного синтеза. Разреженную раскалённую плазму крайне сложно удержать под контролем. Физики пытаются добиться этого разными способами.

Как устроены термоядерные реакторы: традиционный подход

Самый распространённый тип термоядерных реакторов — токамак, придуманный советскими физиками Сахаровым и Таммом в 1951 году. Именно к этому типу относится международный реактор ITER, который строится сейчас во Франции силами двух десятков стран, а также китайский термоядерный реактор EAST.

Плазма в токамаке свёрнута в «бублик» внутри вакуумной камеры реактора. От соприкосновения со стенками камеры её удерживает мощное магнитное поле, которое также имеет форму бублика (тора) и закручено по спирали, как узор на леденце-палочке. Токамак можно назвать модификацией стелларатора, который создал американский физик Спитцер в том же 1951 году. Стелларатор тоже имеет форму бублика, только мятого — плазма внутри него «бежит волной» по кругу. В отличие от токамака с его электромагнитами, стелларатор удерживает плазму обычными магнитами, хоть и очень мощными.

Результаты, достигнутые советскими физиками на токамаке Т-3 в 1968 году, были такими впечатляющими, что в США их проигнорировали, посчитав ошибкой. Тогда советские учёные пригласили английских физиков и повторили эксперименты в их присутствии. После этого в мире начался бум строительства токамаков, который сошёл на нет только к середине 1980-х годов, когда учёные начали сталкиваться с ограничениями этого подхода.

Оказалось, что использование электромагнитов имеет свои недостатки — электрический ток влияет на плазму и ухудшает её стабильность. На этом фоне стелларатор с его обычными, «пассивными» магнитами стал выглядеть более привлекательным, так что физики в погоне за термоядерной энергией начали уделять больше внимания реакторам в виде мятых бубликов.

Инерциальный синтез: возвращение к звёздам

Некоторые физики не согласились, что воссоздавать Солнце на Земле — провальная идея. Испытания термоядерных бомб, где реакция запускается благодаря сжатию заряда с помощью направленных взрывов, показали: высокое давление может снизить требования к температуре плазмы. Из этого наблюдения немецкий учёный фон Вайцзеккер и советский физик Аскарян в 1950-1960-х годах развили концепцию инерциального термоядерного синтеза.

Реакторы инерциального синтеза получают энергию из нескончаемой череды термоядерных микровзрывов. В рабочую камеру поступают топливные капсулы — шарики с дейтерием и тритием, которые со всех сторон накаляются лазерными лучами и взрываются. Ударная волна сходится к центру капсулы со скоростью 300 километров в секунду и сдавливает топливо до плотности в тысячу раз больше, чем у воды, что запускает реакцию синтеза.

Согласно расчётам, такой подход может в сто раз сократить затраты энергии по сравнению с нагревом плазмы в токамаках и стеллараторах. На практике всё не так радужно из-за ощутимых потерь энергии при работе реактора. Есть и куда больший недостаток: диаметр топливной капсулы не должен превышать двух миллиметров, иначе взрыв и сжатие будут неравномерными, и нужного давления просто не получится. А с такими маленькими капсулами не получается добиться выработки большого количества энергии.

Можно избежать ограничения на размер капсулы, поместив её в «консервную банку» из золота или свинца. Тогда лазеры будут нагревать «банку» и наполнять её рентгеновскими лучами, которые должны накалять и взрывать саму капсулу. Примерно по такому же принципу действуют термоядерные бомбы. Однако этот метод косвенного сжатия намного энергозатратнее прямого сжатия, так что его эффективность ещё ниже.

Сколько ещё ждать покорения термоядерного синтеза

За прошедшие десятилетия учёные добились серьёзных успехов в контроле над реакцией ядерного синтеза. Если в 1960-х годах физики нагревали плазму в токамаках и стеллараторах до 40-50 миллионов градусов и мечтали удержать её хотя бы несколько секунд, то к настоящему времени эти показатели выросли в разы или даже на порядки.

В конце 2020 года учёные впервые преодолели барьер в 100 миллионов градусов — корейский токамак KSTAR нагрел плазму до такой температуры и удерживал её 20 секунд. Спустя полгода этот рекорд побил китайский термоядерный реактор EAST — физики смогли достичь температуры плазмы в 120 миллионов градусов и удерживать её 101 секунду. А на 20-секундном промежутке температуру удалось повысить до 160 миллионов градусов. И вот теперь EAST обеспечил 17 минут удержания плазмы, пусть и всего при 70 миллионах градусов.

Выглядит впечатляюще, если только не учитывать, что это весь прогресс за 50 лет. При этом цель — достичь температуры как минимум в 100-150 миллионов градусов и потенциально бесконечной продолжительности удержания плазмы. Только тогда реакция станет поддерживать сама себя, а реактор начнёт давать энергию вместо того, чтобы только поглощать её, как сейчас. Когда это случится — вряд ли возможно предсказать даже простой экстраполяцией.

Участники проекта ITER планируют уже в 2035 году получить «на выходе» из реактора больше энергии, чем «на входе», причём сразу в 10 раз. Однако непонятно, на чём основана такая уверенность. На данный момент самый «эффективный» термоядерный реактор — это американский NIF, который в августе 2021 года смог выделить 70% от той энергии, которую учёные потратили на его запуск. И это не токамак, как ITER, а реактор инерциального синтеза.

Если вспомнить, что британский токамак JET ещё в 1997 году выдал 67% потраченной энергии — такой прогресс выглядит как топтание на месте. Впрочем, сравнивать между собой реакторы разных типов не совсем корректно. В 2013 году NIF мог выдать лишь 0,73% потраченной энергии — и вот этот почти стократный рост уже впечатляет и даёт повод для оптимизма. Возможно, именно инерциальные реакторы наиболее перспективны.

Однако у термоядерных реакторов всех типов есть ещё одна проблема: им для работы нужен тритий (это тоже разновидность водорода), потому что реакция с использованием одного лишь дейтерия требует вдвое большей температуры плазмы и в 10 раз больших затрат энергии, что на данный момент выглядит совсем неподъёмной задачей.

Тритий радиоактивен, но это полбеды. Главное, что сам по себе этот изотоп практически не встречается на Земле, так что его приходится делать искусственно, облучая нейтронами литий в ядерных реакторах. Килограмм трития обходится в 30 миллионов долларов и во всём мире его производят по нескольку килограммов в год, при этом каждый гигаватт выработанной термоядерной энергии потребует 56 килограммов этого вещества ежегодно.

Учёные предлагают «размножать» тритий прямо в термоядерных реакторах примерно как делают это в атомных: нейтроны, которые образуются в результате синтеза, будут реагировать с литием в оболочке рабочей камеры и превращать его в тритий. Этот подход собираются протестировать в ITER. Однако пока нет уверенности, что он будет работать так, как задумано.

А нужна ли вообще термоядерная энергия?

Все эти проблемы приводят некоторых людей к мнению, что управляемый термоядерный синтез — химера, за которой можно гнаться бесконечно. Как иронизируют физики, до его покорения всегда остаётся 20 лет. Настроения критиков выразил Илон Маск во время обсуждения экологичности майнинга: он сказал, что термоядерный синтез не нужен, вместо него разумнее совершенствовать атомные электростанции и строить их как можно больше.

Атомная энергетика все эти 50 лет не стояла на месте. Теперь даже проблему тысяч тонн ядерных отходов можно полностью решить реакторами на быстрых нейтронах. Если обложить их «одеялом» из отработанного топлива или обеднённой руды — это «одеяло» будет поглощать нейтроны, которые образуются при ядерных реакциях, и встраивать их в ядра своих атомов.

Такие реакторы называют размножителями. Они обогащают отходы или руду до самого «жирного» ядерного топлива — плутония. И этот процесс можно повторять сколько угодно — то есть, атомная энергия становится полностью возобновляемой.

Реакторы-размножители на быстрых нейтронах производят больше ядерного топлива, чем потребляют во время работы и выработки энергии, так что при текущих потребностях в энергии можно даже не добывать новый уран. Они реализуют весь потенциал урана (обычные реакторы — только 3%) и позволяют уже сейчас повторно пустить в дело 99% накопленных отходов. Можно также использовать уран, добытый из морской воды — это обеспечит человечество энергией на миллиарды лет.

При добыче урана образуются радиоактивные отвалы, но их тоже можно превращать в дополнительное топливо, выдерживая в серной кислоте. Учёные Уральского федерального университета довели эту технологию до эффективности в 99,98% — в отвалах остаётся мизерное количество урана, которое незаметно на природном радиационном фоне.

Однако это не избавляет атомную энергетику от риска аварий с выбросом радиации и не делает её удобной для будущей космической экспансии — в дальние полёты с целью колонизации придётся брать тонны, а то и десятки тонн урана. На фоне всех проблем ядерного топлива термоядерные электростанции выглядят как источник энергии будущего: мощный, экологически чистый, безопасный, практически неисчерпаемый.

Возможно, без покорения термоядерного синтеза человечество рано или поздно упрётся в потолок развития. Остаётся надеяться, что к тому времени люди всё же научатся «создавать звёзды вручную» и окончательно перестанут добывать энергию из сжигания органики, как делали это на протяжении тысяч лет.

#лонгриды #энергетика #физика #технологии #будущее