Наука и технологии

Чистый термояд: зачем 35 стран строят самый большой в мире термоядерный реактор

Чистый термояд: зачем 35 стран строят самый большой в мире термоядерный реактор

Встреча глав США и СССР в 1985 году подарила миру один из самых амбициозных технологических проектов: экспериментальный термоядерный реактор ITER («путь»). В Провансе, на юге Франции, тысячи ученых и строителей готовят комплекс для научных экспериментов, способных открыть человечеству дорогу к термоядерным электростанциям будущего.

Термоядерный синтез давно будоражит умы. В теории, такие электростанции могут быть вчетверо эффективнее современных атомных, при этом гораздо чище и безопаснее. У них нет проблем с неконтролируемыми цепными реакциями и сильно радиоактивными отходами, а топливом может служить морская вода.

Над многомиллиардным проектом работают: ЕС (46% расходов), США, Россия, Индия, Китай, Южная Корея и Япония (каждая – по 9%). Если обойдется без очередных задержек и проблем с финансированием, то ITER заработает уже в конце 2025 – сорок лет спустя переговоров Рональда Рейгана и Михаила Горбачева в Женеве.

Как это работает

Термоядерная энергетика пытается скопировать процессы, которые происходят внутри звезд: там, при сверхвысоких температурах и давлении, сливаются ядра изотопов водорода и выделяют огромную энергию.

Чтобы достичь этого на Земле, необходимы особые условия (например, температура в 10 раз большая, чем в ядре Солнца) – их создают в термоядерном реакторе. В его основе, по крайней мере, по самой распространенной схеме, которую использует ITER – токамак, по форме напоминающая бублик вакуумная камера с магнитными катушками. Первые токамаки появились в СССР еще в 1960-х, для ITER построят самый большой токамак в мире объемом 830 м3.

В токамак запускают дейтерий и тритий, и разогревают до температур свыше 150 миллионов градусов Цельсия. Газ превращается в плазму, а чтобы плазма такой температуры не сожгла все вокруг, ее удерживают на расстоянии от стенок магнитным полем; через саму плазму пропускают ток. Мощное магнитное поле обеспечивают, в свою очередь, сверхпроводящие магниты, которые нужно охладить в вакуумной камере до практически абсолютного нуля – 268°C. Физически же они будут находиться буквально в полуметре от раскаленной до 150 000 000°C плазмы. Обеспечить беспроблемную работу техники в таких условиях — сложнейшая инженерная задача.

Современные токамаки выделяют меньше энергии, чем расходуется на нагрев системы, для генерации их пока приспособить не получается. Лучший результат – у британского JET, который возвращает до 67% затраченной энергии. За счет масштаба конструкции ITER (это будет громадина высотой с девятиэтажный дом, и примерно такого же диаметра), создатели рассчитывают, что реактор сможет выделять энергии в десять раз больше, чем расходуется на нагрев плазмы (отдавать 500 МВт с 50 МВт). Этот момент – принципиальный для построения термоядерных электростанций в будущем.

Но ITER не будет производить электричество: вся выделенная энергия уйдет лишь на нагрев стенок токамака. Хотя если эксперименты с ITER пройдут успешно, следующим этапом (с 2030 года) станет прототип термоядерного реактора для электростанций, DEMO – они должны появиться в 2040-50-х годах. О желании построить такие реакторы заявили Индия, Россия, Южная Корея и Япония.

Важнейшая цель ITER – показать возможность генерации энергии термоядерным реактором. Для этого необходимо будет обеспечить управляемое производство «горящей плазмы» (с ней реакция синтеза будет самоподдерживающейся) и достичь самовоспроизводства трития, достаточно редкого изотопа использующегося в качестве топлива. Кроме того, ITER должен продемонстрировать, насколько готовы современные технологии к строительству коммерческих термоядерных электростанций, а также позволит оценить их надежность и безопасность.

Безопасность – одно из ключевых преимуществ термоядерных реакторов над привычными ядерными. Здесь невозможна цепная реакция с последствиями: в случае проблем плазма мгновенно остынет и затухнет, отмечают в ITER.

Куда лучше обстоят дела и с радиоактивностью топлива: тритий, слабый источник бета-излучения, будет генерироваться прямо в реакторе. Конструкция реактора при этом предполагает несколько барьеров для возникающих в процессе работы радиоактивных веществ. Период полураспада радиоактивных отходов для большинства изотопов в термоядерном реакторе составляет около 10 лет, тогда как для отдельных компонентов отработанного ядерного топлива эти значения могут составлять тысячи и даже миллионы лет.

С нуля до 63%

В ноябре 1985 года на встрече в Женеве лидеры США и СССР договорились о совместном исследовании термоядерной энергии в мирных целях – это и стало началом проекта. Уже через год был Евроатом, СССР, США и Японией подписали договор.

Работа над конструкцией ITER началась в 1988 году и продолжалась до утверждения финальной версии в 2001-м.

В 2003 году к консорциуму для работы над ITER присоединились Китай и Южная Корея, в 2005-м – Индия. Тогда же выбрали и место для строительства: окрестности Сен-Поль-ле-Дюранс в Провансе, Франция, близ научно-исследовательского центра ядерной энергетики Кадараш.

Межгосударственное соглашение о создании ITER подписали министры стран-участниц 21 ноября 2006 года, а в октябре 2007 начала работу организация ITER Organization – юридическое лицо, ответственное за строительство, работу и последующий демонтаж реактора.

Площадку начали готовить еще в 2007-м, строить – в 2010-м. Параллельно страны-участницы стали работать над элементами комплекса ITER: Индия строит для проекта криостат, в США разрабатывают центральную магнитную катушку (ее силы хватит чтобы поднять авианосец ), ЕС и Корея готовят вакуумную камеру, Китай с Россией поставляют сверхпроводники (всего понадобится 100 000 км таких проводников), часть катушек и различные электротехнические компоненты, Япония готовит катушки тороидального поля.

По состоянию на конец июня 2019 года проект был готов «более чем на 63%», отмечали в ITER Organization. Завершены более 70% зданий, началась установка первых компонентов самого реактора. Полноценно фаза монтажа должна начаться в следующем году, по мере постройки и доставки всех необходимых компонентов: например, Китай 23-го сентября построил первую 400-тонную магнитную катушку, ее доставят на место строительства ITER к декабрю.

По сложности и технологичности ITER превосходит многие масштабные научные стройки века, в том числе Большой адронный коллайдер.

«Коллайдер – это всего лишь вакуумная установка, в которой ускоряется пучок протонов, это задача более простого уровня. ITER – это физика плазмы, а плазма – это столько степеней свободы, столько неустойчивостей, со всеми ними надо справиться, – рассказал Радио Свобода глава российского агентства проекта ITER Анатолий Красильников. – С точки зрения большого количества параметров, которые надо одновременно учитывать, ITER, конечно, намного более сложная проблема, чем коллайдер. Ну и ITER подороже».

Столь сложный международный проект на базе передовых технологий действительно дорог. Если на старте бюджет проекта оценивался в €5 млрд, то к 2017-му он уже успел перешагнуть отметку в €20 млрд: общую цифру сложно оценить, так как правительства сами определяют уровень расходов на те или иные компоненты, ими производимые. Участники проекта перечисляют не деньги, а передают построенные компоненты.

Не только ITER

Бублик-токомак – не единственный вариант для термоядерного синтеза, рассматриваемый наукой. Альтернативные способы изучают не только в крупных государственных учреждениях, но и в небольших стартапах. Их сейчас в мире, по оценкам Bloomberg, больше двух десятков. Однако пока о крупных прорывах и контролируемом производстве энергии в коммерческих масштабах пока говорить не приходится.

Ближайший аналог токомака – стелларатор, также торообразная, «бубликоподобная» система, при всем своем сходстве не требующая поддерживать в плазме ток. У подобной установки свои плюсы и минусы, самая крупная и успешная на данный момент – немецкая Wendelstein 7-Х. На ней немецкие исследователи установили ряд рекордов, хотя по характеристикам и масштабу до ITER ей далеко.

Стартап Commonwealth Fusion Systems, основанный выходцами из MIT, обещает построить гораздо меньший, более дешевый, при этом ненамного менее эффективный, чем ITER, реактор на токомаке – SPARC. Как это им удастся? Ученые надеются применить новейшие высокотемпературные сверхпроводники и собираются показать решения уже в ближайшие два года.

Еще один нестандартный вариант – термоядерный синтез с инерционным удержанием. В нем используются лазеры, со всех сторон «обжимающие» и нагревающие миниатюрную топливную капсулу дейтерия импульсами, имитируя процессы, происходящие при взрыве водородной бомбы. Крупнейшая в мире научная организация, применяющая этот подход – Национальный центр зажигания (National Ignition Facility) в США, там для этих целей используют 193 пучка мощных лазеров.

Канадская General Fusion и американская Tri Alpha Energy используют собственные, еще более экзотические способы термоядерного синтеза но увы, до сих пор готовых к коммерческой эксплуатации решений пока никто не представил.

Зачем и когда?

Критики считают, что термоядерный синтез – слишком дорогое и коммерчески неэффективное предприятие, а вкладывать призывают, например, в возобновляемую энергетику. В ITER не отрицают ее важности, но подчеркивают, что создание новых чистых источников энергии с постоянным уровнем генерации (не зависящем, скажем, от числа солнечных дней или силы ветра), остается важной задачей. Термоядерная энергия не заменит возобновляемую, но будет вместе с ней служить еще более удачной альтернативой традиционным «грязным» источникам энергии, считают в ITER.

Вопрос только когда это произойдет. Первый пуск запланирован на декабрь 2025 («лучшая технически достижимая датой»”) с использованием водорода, далее будет добавляться гелий, дейтерий и наконец полноценная работа на дейтерии-тритии планируется в 2035-м: лишь тогда можно будет достичь десятикратной отдачи по мощности. Даты завершения проекта уже сдвигались, и с учетом его сложности навряд ли можно быть уверенным, что не случится новых задержек. К тому же, несмотря на все попытки, на нынешнем этапе развития технологий термоядерный синтез может оказаться чересчур дорогим для промышленного применения.

Скептики ехидничают, что «термояд – источник энергии будущего, и всегда останется таковым». Уже через несколько лет человечество сможет остудить пыл скептиков или вновь подкрепить их позиции.

Учитывая сложность темы, навряд ли кто-то готов гарантировать сроки в подобных проектах. Один из пионеров отрасли, советский академик Лев Арцимович, на вопрос о том, когда же появится термоядерная энергетика, отвечал просто: «Тогда, когда она станет действительно необходима человечеству».

Напомним, что к 2040 году Китай начнет вырабатывать энергию термоядерного синтеза. Пока Китай готовится перезапустить после трехлетнего моратория свою заглохшую ядерную программу, ученые из лаборатории округа Хэфэй вместо грубого расщепления атомов занимаются ядерным синтезом, мечтая «поместить Солнце в коробку».

Ранее ЭлектроВести писали, что исследование Google похоронило мечту о холодном ядерном синтезе. Потратив 10 млн долларов на эксперименты, компания не обнаружила никаких доказательств, что ядерный синтез можно осуществить при комнатной температуре. Тем не менее, инвестиции не пропали даром.

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *