Как ученые сделали еще один шаг к созданию термоядерной энергетики и почему это может изменить мир
В России запустили термоядерный реактор, не имеющий аналогов в мире благодаря сочетанию компактных размеров и высокой мощности. Эксперименты на нем должны проложить путь термоядерной энергетике, способной практически навсегда обеспечить мир дешевой и безопасной энергией, считает научный обозреватель, кандидат физико-математических наук Анатолий Глянцев.
18 мая в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» был запущен термоядерный реактор Т-15МД. Это первая подобная установка, построенная в России за последние 20 лет. Эксперименты на ней станут частью масштабной международной программы, направленной на создание промышленной термоядерной энергетики.
Неисчерпаемый ресурс
Термоядерные реакции — самый впечатляющий источник энергии, опробованный человечеством. В пересчете на килограмм топлива они в несколько раз мощнее, чем деление ядер урана или плутония. Именно это делает водородные бомбы куда более страшным оружием, чем ядерные заряды, разрушившие Хиросиму и Нагасаки. И поэтому же термоядерные электростанции будут куда эффективнее обычных атомных. Удивительно, но при этом они будут еще и гораздо безопаснее для человека и окружающей среды.
Что же происходит в такой установке? Напомним, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Проще всего устроено ядро атома водорода: почти всегда оно представляет собой одиночный протон. Однако одно на 6000–7000 ядер водорода, встречающихся в природе, содержит еще и нейтрон. Такая разновидность (изотоп) водорода называется дейтерием. Существует и третий изотоп водорода: тритий. В его ядре один протон и два нейтрона. Тритий, в отличие от дейтерия, радиоактивен и быстро распадается: всего за 12 лет число его ядер уменьшается вдвое. В связи с этим он практически не встречается в природе, но может быть получен искусственно.
В термоядерном реакторе и при взрыве водородной бомбы ядра дейтерия сливаются с ядрами трития. При этом образуются ядра гелия и одиночные нейтроны, а также выделяется энергия, ради которой все и затевается.
В литре самой обычной воды (водопроводной, морской или какой угодно) содержится примерно 0,03 г дейтерия. Если весь этот изотоп использовать в термоядерном реакторе, выделится столько же энергии, как при сжигании 300 л бензина. То есть стакан воды из-под крана эквивалентен полному баку. Дейтерия, содержащегося в Мировом океане, хватило бы, чтобы обеспечить текущие энергетические потребности человечества на миллиарды лет.
Правда, для реакции необходим еще и тритий. Однако его можно получить, облучая нейтронами металл литий. Это не самое дефицитное сырье, чему порукой литий-ионные аккумуляторы, питающие каждый современный гаджет. По расчетам экспертов, подтвержденных и легко извлекаемых запасов лития в месторождениях хватит, чтобы обеспечить человечество термоядерной энергией в течение более чем тысячелетия. Если же извлечь литий из морской воды, его хватит на шесть миллионов лет.
Без Чернобыля
Термоядерная энергетика еще и безопасна с экологической точки зрения. Ни исходные продукты (дейтерий и литий), ни отходы реактора (гелий) не радиоактивны. Правда, радиоактивен тритий, но его можно получать тут же на месте. Достаточно включить литий в оболочку реактора, и свободные нейтроны, образующиеся в термоядерной реакции, будут превращать его в тритий. Другими словами, это опасное вещество не нужно отдельно производить, накапливать и перевозить: оно образуется прямо в реакторе и тут же потребляется.
Единственные опасные отходы термоядерных реакторов — это их отслужившие свой срок оболочки (бланкеты). Они принимают на себя ливень образующихся в реакции нейтронов, и в результате часть атомов бланкета превращаются в радиоактивные. Как долго прослужит оболочка, насколько активной она станет в результате, легко ли будет ее утилизировать? Ответы на эти вопросы сильно зависят от конструкции реактора и использованных материалов.
Зато очень важно, что термоядерный реактор в принципе не может пойти вразнос и взорваться. Даже в установке промышленной мощности в каждый момент времени будет находиться всего несколько граммов дейтерия и трития. Этого едва хватит для реакции, и то при идеальной работе оборудования. При любом сбое процесс просто затухнет сам собой. Взрыв реактора, термоядерный или какой угодно, невозможен. Даже если электростанция будет разрушена внешним катаклизмом, будь то землетрясение, удар цунами или теракт, в окружающую среду попадет лишь несколько граммов радиоактивного трития (который к тому же быстро распадется) да активные части бланкета.
И, конечно, термоядерная энергетика будет гораздо экологичнее, чем сжигание нефти, угля и газа. Она позволит обойтись без выбросов в атмосферу вредных для здоровья веществ. Прекратив сжигать углеводороды, мы остановим и выбросы углекислого газа, по мнению большинства климатологов, ведущие к глобальному потеплению.
Укрощение плазмы
Если термоядерные электростанции (ТЯЭС) столь хороши, почему их до сих пор не существует? Между первым ядерным взрывом и пуском первой промышленной АЭС прошло менее десяти лет. Почему же первые ТЯЭС эксперты обещают нам лишь ко второй половине XXI века?
Дело в том, что стоящая перед физиками задача необычайно сложна. В распоряжении ученых нет реактора размером с Солнце, тяготение которого сжимает плазму так, что она становится в 20 раз плотнее стали. Чтобы компенсировать недостаток плотности, исследователи повышают температуру. В установке размером в несколько метров создается плазма, раскаленная до десятков миллионов градусов, что в несколько раз превышает температуру в центре нашей звезды. Это сверхгорячее вещество требуется удержать от контакта со стенками реактора, и это отдельная и очень большая проблема.
Плазма состоит из заряженных частиц: электронов и ионов. Это значит, что ею можно управлять с помощью магнитного поля. Теоретически магнитная ловушка может сколь угодно долго удерживать плазму внутри реактора, не давая ей коснуться его стенок. В реальности все не так просто. Как известно, разноименные заряды притягиваются, а одноименные — отталкиваются, причем эти силы действуют на больших расстояниях. Приведя в движение одну частицу, мы сдвигаем с места все, которые она притягивает и отталкивает, а те в свою очередь тянут за собой новые частицы, и так далее по принципу снежного кома. Неудивительно, что плазма чрезвычайно неустойчива, и малейшие возмущения нарастают в ней как лавина. Управлять такой капризной субстанцией сложнее, чем бешеным конем.
Наконец, постепенно водородная плазма загрязняется посторонними частицами. Поэтому время существования горячей плазмы в современных исследовательских реакторах измеряется секундами. Этого недостаточно для самоподдерживающейся термоядерной реакции, которая сама разогревает для себя плазму. Ее приходится греть с помощью гиротронов (своеобразных гигантских СВЧ-печей) и других устройств. В итоге возникает парадокс: современные термоядерные реакторы потребляют больше энергии, чем вырабатывают. Но физики упорно ставят все новые эксперименты и совершенствуют технологии.
Страна токамаков
Слово «токамак» пришло в мировые языки из русского. Оно означает «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками». Такой реактор представляет собой полый тор (образно говоря, бублик), внутри которого и создается плазма.
Первый в истории токамак был запущен в СССР в 1954 году. Впоследствии в нашей стране было построено еще несколько подобных установок, а по всему миру счет пошел на десятки. Физики всей планеты признают именно этот тип термоядерного реактора самым перспективным, хотя альтернативные варианты тоже не сбрасываются со счетов. Международный реактор ITER, строительство которого стартовало в 2020 году, также представляет собой токамак. Проект начал разрабатываться в середине 1980-х годов, в 1992-м было подписано четырехстороннее (ЕС, Россия, США, Япония) межправительственное соглашение о разработке инженерного проекта, который был завершен в 2001 году.
Именно ITER должен стать первым термоядерным реактором, который выйдет на энергетическую самоокупаемость, то есть обеспечит энергией сам себя. Планируется, что он будет производить 500 МВт, как энергоблок АЭС. Однако ITER — не промышленный, а исследовательский реактор. Он будет буквально напичкан аппаратурой по измерению всего и вся, и поэтому обойдется очень дорого.
После того, как эксперименты на ITER позволят подобрать оптимальный режим работы реактора, в строй вступит первый прототип промышленной установки — DEMO. Однако его запуск планируется не ранее 2040 года.
Но чтобы достичь этих сияющих высот, требуются многочисленные опыты на токамаках, которые меньше и дешевле ITER. До недавнего времени нужные установки были у всех участников проекта ITER (ЕС, США, Японии, Индии, Китая и Южной Кореи), кроме России. Хотя в нашей стране действует несколько токамаков, ни один из них не был похож по конфигурации на будущий ITER.
В связи с этим в 2011 году началась глубокая модернизация токамака Т-15, вступившего в строй еще в 1988 году. В результате из заслуженной установки сделали буквально новый реактор, получивший название Т-15МД. Этот научный инструмент не очень велик: внешний радиус тора составляет всего 1,48 м. При этом плазма в нем разогревается до 60–100 млн градусов и в ней протекает ток в 2 млн ампер. Такие показатели обеспечивает система подогрева плазмы мощностью 15–20 MВт. По соотношению размеров и мощности Т-15МД не имеет аналогов в мире.
Время существования плазменного шнура в новом реакторе — до 30 секунд. Это далеко не рекорд, но вполне достаточно для экспериментов, необходимых для запуска ITER.
Гибридный реактор
Промышленный термоядерный реактор — это технология послезавтрашнего дня. Но если «скрестить» его с обычным ядерным, можно получить куда более простую установку, которая все еще будет безопаснее и экологичнее классического ядерного реактора.
Напомним, что тяжелые ядра урана или плутония делятся под воздействием нейтронов. В обычном атомном реакторе источником этих нейтронов служат сами делящиеся ядра. Ядро делится и испускает несколько нейтронов, те попадают в другие ядра и заставляют делиться уже их, и так далее. Это и называется цепной реакцией. Чтобы она не затухла, ядерного топлива в активной зоне должно быть достаточно много. Но если его будет слишком много, произойдет взрыв. Конструкторы и операторы АЭС вынуждены поддерживать этот очень тонкий баланс, нарушение которого грозит катастрофой.
Совсем иная ситуация возникает, если использовать внешний источник нейтронов. В этом случае нет необходимости накапливать критическую массу ядерного топлива: ядра и без того будут делиться под потоком «дармовых» нейтронов. Поэтому реакторы подобного типа называются подкритическими. Они гораздо безопаснее классических, потому что не могут пойти вразнос. Стоит отключить внешний нейтронный луч, как ядерные реакции прекращаются.
Сегодня в мире нет промышленных подкритических реакторов, но их создание активно обсуждается. Один из главных вопросов состоит в том, где взять достаточно мощный и при этом безопасный источник нейтронов. И очень удачно, что последние рождаются в результате термоядерных реакций.
Представим себе реактор типа Т-15МД, в оболочке которого расположено ядерное топливо. Термоядерные реакции служат только источником нейтронов, поэтому нет необходимости добиваться самоподдерживающейся реакции. Нейтроны попадают в бланкет и вызывают там деление тяжелых ядер, которое и дает энергию. Часть этой мощности тратится на работу токамака, а остаток подается потребителям. Российские физики планируют отработать на Т-15МД основы концепции таких гибридных реакторов.
Анатолий Глянцев
По материалам: “Forbes”
