Термоядерный бублик

Во второй половине прошлого века научным миром правили физики, которые творили сенсацию за сенсацией. Тогда казалось, что превратить мегатонный взрыв в термоядерную горелку – дело нескольких лет. Однако на рубеже веков наступил период отрезвления. Оказалось, что до промышленного применения синтеза атомных ядер далеко – при кажущейся простоте процесса не решено ещё слишком много научных и технологических проблем. И всё же многие специалисты сегодня уверены: за термоядерными электростанциями – будущее, а следующая технологическая революция произойдёт именно в области энергетики.

Звёзды – природные реакторы

Из школьного курса физики мы знаем, что атомную энергию можно получать, управляя распадом ядер тяжёлых элементов (на этом принципе работают современные АЭС) или сталкивая ядра лёгких элементов, синтезируя более крупные. Реакции ядерного синтеза распространены во Вселенной очень широко – именно из них черпают энергию звёзды. Внутри нашего Солнца атом гелия (два протона + два нейтрона) под воздействием сил гравитации синтезируется путём слияния четырёх ядер (протонов) водорода, при этом образуется ряд других частиц. «Бонусом» является тепловая энергия, которая разогревает звезду (приставка «термо-» появилась именно поэтому). Высокая температура и давление внутри звёзд (это очень массивные объекты) являются необходимым условием для протекания термоядерной реакции, причём звёзды – самые совершенные реакторы, ибо реакция в них поддерживает сама себя.

Дрова для термоядерной печки

По такому же «звёздному» принципу работают современные экспериментальные реакторы – токамаки (ТОроидальные КАмеры с МАгнитными Катушками). И отчасти – стеллараторы, разновидность токамаков.

С точки зрения современных технологий наиболее легкоосуществимая реакция синтеза – слияние «дейтерий +тритий» (²H + ³H), в результате которой получается гелий (4He) + нейтрон при энергетическом выходе 17,6 МэВ. Именно она в основном и работает в токамаках, но пока лишь очень короткое время. Недостатки такой реакции – высокая цена трития, нежелательная нейтронная радиация. Возможны и некоторые другие типы (в том числе безнейтронные) синтеза. Выбор топлива зависит от его доступности, энергетического выхода и, главное, технических возможностей токамаков.

На сегодняшний день в мире построено порядка 300 таких экспериментальных реакторов. Классический токамак был разработан ещё в 60-х годах прошлого века российскими учёными А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом. Чтобы извлечь энергию из плазмы, её необходимо в течение определённого времени удерживать внутри реактора, для чего приспособили сильное магнитное поле. В процессе научных экспериментов было установлено, что оптимальная форма реактора – тор, пустотелый «бублик». Винтовые магнитные силовые линии «обвивают» внутри тора плазменный шнур, имеющий температуру в миллионы градусов, не давая ему соприкасаться с частями реактора. Высокоэнергетические частицы (в основном это нейтроны) нагревают стенки тора (бланкет), избыточное тепло снимается теплоносителем и идёт на нагрев воды в котле электростанции. Не будь магнитного поля, плазма просто бы расплавила стенки реактора и никакой бы реакции не получилось.

Первый из двух компонентов, участвующих в DT-реакции, дейтерий (²H) – стабильный, широко распространённый в природе изотоп водорода. В обычной воде содержится 0,015% дейтерия. В отличие от дейтерия, радиоактивный изотоп водорода тритий (³H) в природе существует в очень небольших количествах, ибо быстро распадается. Поэтому предполагается, что тритий будет нарабатываться в самом реакторе из изотопов лития (его как раз много в земной коре), которые будут облучаться нейтронами в бланкете.

Предполагается, что перспективный термоядерный реактор с электрической мощностью 1 ГВт будет сжигать всего около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год.

Проект ИТЭР – шаг к энергетике будущего

Окончательный ответ на вопрос, смогут ли термоядерные реакторы вырабатывать ток в промышленных масштабах, должен дать проект ИТЭР (от англ. International Thermonuclear Experimental Reactor – международный экспериментальный термоядерный реактор), стартовавший по инициативе академика Евгения Велихова в 1985 году. К проекту присоединились ЕС, Индия, Китай, Республика Корея, Россия, США, Япония и Казахстан. Его участники уверены, что управляемый термоядерный синтез станет энергией будущего и послужит альтернативой современным газу, нефти и углю, запасы которых рано или поздно подойдут к концу.

Строительство ИТЭР идёт на юге Франции, в 60 км от Марселя, в исследовательском центре Кадараш. Стройку, стоимость которой первоначально оценивалась в 5 млрд евро, планировалось закончить в текущем году, однако постепенно сумма расходов на возведение реактора выросла до 19 млрд, а срок начала экспериментов сдвинулся к 2025 году.

Кооперация в инжиниринге и в финансовых затратах обусловлена тем, что ни одна страна мира не способна потянуть подобный проект в одиночку. ИТЭР – это сотни высоких технологий, которые станут достоянием каждого участника проекта. Страны Европы вносят примерно 50% объёма финансирования проекта, на долю России приходится 10% от общей суммы, которые инвестируются в форме высокотехнологичного оборудования.

Для того чтобы доказать свою техническую и экономическую состоятельность, реактор ИТЭР должен стабильно удерживать плазму и вырабатывать энергии в несколько раз больше (предполагается, что до десяти раз – так называемый критерий Лоусона), чем затрачивается на поджиг и поддержание горения плазмы. Планируется, что на первом этапе реактор будет работать в импульсном режиме при мощности термоядерных реакций 400–500 МВт, а на втором – в режиме непрерывной работы, с включённой системой воспроизводства трития. В случае успеха проекта ИТЭР будет построен реактор следующего поколения — DEMO, который и станет прототипом коммерческой термоядерной электростанции. Однако по самым оптимистичным прогнозам, произойдет это не ранее 2040 года.

Топливом для ITER также послужит смесь дейтерия и трития. Перед началом работы из вакуумной камеры откачают весь воздух и содержащиеся в нём примеси. Потом включится магнитная система, мощность которой превышает магнитное поле Земли в 200 000 раз. Затем в камеру под низким давлением в газообразном состоянии введут топливо, которое при нагревании превратится в плазму.

Для ввода в плазменный шнур дополнительного количества топлива будет использоваться ледяная пушка. Она будет выстреливать гранулами замороженной смеси дейтерия и трития со скоростью до 1000 м/с.
При этом в каждый текущий момент времени в вакуумной камере токамака будет находиться не более 1 г топлива.

Несгоревшее топливо вместе с продуктом реакции гелием деионизируют на диверторе и откачают. Гелий будет отделяться от дейтерия и трития в системе разделения изотопов, а изотопы водорода вновь поступят в вакуумную камеру, образуя замкнутую DT-петлю в топливном цикле токамака.

Безопасность превыше всего

Создатели токамаков утверждают, что термоядерный реактор намного безопаснее обычного ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего потому, что в нём ничтожно мало радиоактивных веществ. Максимально возможный выброс не превосходит 50 г по тритию, 25 г по продуктам коррозии и 40–100 г по пыли, образующейся в плазменной камере. Даже если случится авария, суммарные дозы облучения на границе площадки станции окажутся в 2–10 раз ниже допустимой для населения дозы и эвакуации не потребуется. Реактор устроен так, что если магнитное поле по каким-то причинам ослабнет и плазма соприкоснётся со стенками токамака, реакция остановится, ибо плазма моментально остынет.

Тем не менее при проектировании ITЭR большое внимание уделялось радиационной безопасности (как при нормальной эксплуатации, так и во время возможных аварий). В конструкции реактора есть несколько естественных барьеров, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Например, вакуумная камера и оболочка криостата должны быть герметичными, иначе реактор просто не сможет работать.

Альтернатива альтернативам

Порядка 70% электроэнергии на Земле в настоящее время вырабатывается путём сжигания углеводородов. Согласно прогнозу, нефти и газа нам хватит ещё на 50–70 лет, а угля – на 200, но уголь не вызывает большого оптимизма у экологов. Недостатки и ограничения классической атомной энергетики и возобновляемых источников нам также известны. И потому исследование управляемого термоядерного синтеза – одна из реакций человечества на дефицит энергии, с которым оно может столкнуться в будущем.

Приручив УТС, мы получим доступ к практически неограниченному источнику энергии. Экономический эффект от работы термоядерного реактора, даже после того, как будут вычтены миллиарды долларов, потраченные на НИОКР, очевиден: 1 кг дейтерия содержит скрытую энергию, эквивалентную 100 000 т нефти! Или 750 000 т пороха. Похоже, лапутский профессор был на правильном пути.

Остаётся последний вопрос – когда? Ответить на него в своё время попытался один из отцов российского токамака академик Л. А. Арцимович: «Эта задача обязательно будет решена, когда термоядерная энергия будет совершенно необходима человечеству».


Источники:
iter.org, proatom.ru, elementy.ru, triniti.ru, «Химия и жизнь»; Е. П. Велихов, С. В. Путвинский «Термоядерный реактор», доклад, 1999; С. В. Мирнов «Ближайшие перспективы управляемого термоядерного синтеза», 2005.