fbpx

Термоядерный синтез: неисчерпаемый источник энергии или величайший фейл в истории науки

Термоядерный реактор
Термоядерный реактор — фантастически сложная и дорогая конструкция

За последнее столетие человечество совершило удивительный технологический рывок. Мы поднялись в небо, высадились на Луну, создали интернет. Однако, несмотря на очевидные достижения, основным источником энергии для нашей цивилизации остается газ, уголь и нефть. Но запасы их ограничены, к тому же сжигание ископаемого топлива вредит природе и способствует изменениям климата. Одно время панацеей казалась ядерная энергетика, обещавшая обеспечить потребности человечества дешевым электричеством, но этого так и не случилось. А после Чернобыля и Фукусимы стало очевидно, что атомным станциям нужно искать замену.

Альтернатива традиционной энергетике есть – речь идет об управляемом ядерном синтезе. Причем это не какая-то фантастика типа антигравитации или гиперпространства – подобные процессы протекают в недрах всех без исключения звезд, и их теоретические основы прекрасно известны ученым. Несмотря на это, искусственное солнце на Земле пока упорно не хочет зажигаться.

Изначально создание термоядерного реактора казалось простым делом. На заре ядерной эры инженеры полагали, что подобные устройства появятся в течение пяти-десяти лет. С той поры минуло более полувека, но мечты о дешевой и неиссякаемой энергии так и остались мечтами. Сегодня нам опять обещают представить работающий термоядерный реактор к концу следующего десятилетия, но реальны ли эти планы, сказать сложно. На реализацию идеи уже потрачено столько денег и человеческого труда, что данную тему называют самым грандиозным фейлом в истории науки.

Итак, на каких принципах работает управляемый ядерный синтез, в чем преимущество этой технологии и каковы ее недостатки? Ну и, самое главное: почему до сих пор не удалось построить термоядерный реактор, какие преграды встали на пути научного прогресса?

Немного физики, занимательной и не очень

Нейтроны и протоны в атомном ядре связываются за счет так называемого сильного взаимодействия. Чем легче ядро, тем больше энергия этой связи. Реакция ядерного синтеза – это тип реакции, при которой количество нуклонов (протонов или нейтронов) в ядре возрастает. При этом выделяется значительная энергия, за счет которой и должен работать наш реактор.

Солнце — термоядерный реактор
Солнце — ближайший к нам работающий термоядерный реактор

Однако все не так просто. Протоны обладают электрическим зарядом, следовательно, испытывают воздействие кулоновских сил. В ядре их компенсирует сильное взаимодействие, но оно работает только в очень небольших масштабах. Чтобы ядра начали сливаться, необходимо сблизить их на эту дистанцию, преодолев кулоновское отталкивание. В звездах эту работу выполняет сила притяжения, в водородной бомбе – специальный ядерный запал, в ускорителях – кинетическая энергия частиц, разогнанных электрическим полем.

Гравитация человеку пока что неподвластна, ускоритель слишком неудобен и дорог, поэтому для создания термоядерной реакции используется тепловой метод – исходные элементы нагревают до десятков и сотен миллионов градусов. Под воздействием высокой температуры частицы преодолевают силы кулоновского отталкивания и сближаются на дистанции, где начинает работать сильное взаимодействие.

Важнейшим является выбор исходного сырья для реакции. Причем реальных вариантов не так и много. Наиболее осуществимой считается реакция между двумя изотопами водорода – дейтерием (D) и тритием (T):

2H + 3H = 4He + n

Ее результатом является ядро гелия (альфа-частица) и высокоэнергетический нейтрон. При этом выделяется 17,6 мегаэлектронвольт энергии. Для начала процесса необходимо разогреть исходную смесь «всего лишь» до 100 млн градусов.

Схема термоядерной реакции
Схема единственной доступной для нас сейчас термоядерной реакции

Другим возможным вариантом является слияние двух ядер дейтерия («монотопливо»). Но при тех же 100 млн градусах данный процесс протекает в несколько раз медленнее, чем дейтерий-тритиевая реакция.

2H + 2H = Т + р + 4,032 МэВ

Весьма перспективно выглядит использование дейтерия и гелия-3:

2H + 3He = 4He + p + 18,4 МэВ

Данная реакция более выгодна энергетически, но осуществить ее куда сложнее: для ее начала необходима температура около 1 млрд градусов. Кроме того, непонятно, где брать гелий-3? Этого изотопа в избытке на Луне, но туда еще нужно добраться и организовать его сбор. Термоядерное взаимодействие дейтерия и гелия относится к так называемым безнейтронным реакциям. Они считаются более перспективными, так как не имеют потерь, связанных с нейтронным потоком, и, что самое главное, не вызывают наведенную радиоактивность в конструкционных материалах реактора.

Примерами подобных реакций могут служить:

  • 2H + 6Li = 24He + 22,4 МэВ;
  • 3He + 6Li = р + 24He + 16,9 МэВ;
  • 3He + 3He = 2р + 4He + 12,86 МэВ.

Мы ежедневно можем наблюдать работающий прототип термоядерного реактора прямо у себя над головами. Однако реакция слияния протонов, которая происходит в недрах Солнца и других звезд, вообще не рассматривается в качестве рабочего способа получения энергии. Для ее инициации необходимо количество водорода равное примерно 80 массам Юпитера.

Конструкции термоядерных реакторов

Сегодня для создания высокотемпературной плазмы используются два основных типа устройств:

  • квазистационарные;
  • импульсные.

К первой группе относятся устройства, в которых нагрев плазмы, а также ее удержание осуществляется с помощью мощного магнитного поля — токамаки, стеллараторы, магнитные ловушки. Они отличаются лишь конфигурацией магнитного поля.

Токамак Т-15МД
Российский токамак Т-15МД. Его запуск состоится в декабре 2020 года

Сейчас основные надежды инженеров и ученых связаны с токамаками. Эти устройства представляют собой тороидальные камеры со множеством внешних магнитов, которые удерживают плазму, не давая ей коснуться стенок. Кроме того, электрический ток непосредственно проходит по плазменному шнуру в вакуумной камере, что является главным отличием токамаков от других устройств данного типа. В мире построено более трехсот токамаков, такую же схему будет иметь реактор, разрабатываемый сейчас в рамках проекта ITER. В 2003 году на токамаке Tore Supra был поставлен рекорд длительности удержания плазмы – 6,5 минут. Еще в 90-е годы на токамаках TFTR и JET удалось добиться получения энергии, практически равной затратам на разогрев плазмы. Никакие другие установки похвастать подобным достижениями пока не могут.

Вторым распространенным типом термоядерного реактора является стелларатор. В нем магнитное поле для удержания плазмы создается только внешними источниками. Такие устройства имеют более сложную конструкцию по сравнению с токамаками, и стоят они дороже, но поведение плазмы в стеллараторах более спокойное и предсказуемое, что очень важно для коммерческого использования технологии.

Wendelstein 7-X
Самый большой в мире реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Его строили почти 15 лет

Импульсные или инерциальные системы работают совсем по другому принципу. Если в токамаках и стеллараторах до огромных температур нагревается плазма сравнительно небольшой концентрации, то в инерциальных устройствах она сжимается до огромной плотности с помощью лазерного излучения или потока частиц. Подобная схема выглядит весьма заманчиво, но на практике все не так просто.

Первые попытки создать инерциальное устройство относятся к 60-м годам прошлого века. Первоначально из термоядерного топлива формировали небольшой шарик, который облучали множеством мощных лазерных лучей. Однако оказалось, что сфера нагревается неравномерно и слабо. Чтобы решить эти проблемы, мишень стали заключать в особый контейнер с отверстиями, через которые проникают лазерные лучи. Излучение поглощается специальными кристаллами, что превращают поступающее излучение в ультрафиолетовое. Прогрессу инерциального метода способствовала концепция «быстрого поджига», предполагающая использование двух лазерных импульсов: один сжимает топливную капсулу, другой – разогревает ее.

Почему до сих пор не получилось

Существует так называемый критерий Лоусона, позволяющий оценить, возможен ли синтез в определенном реакторе с использованием того или иного топлива. Чтобы запустить реакцию, необходимо обеспечить оптимальную плотность плазмы, разогреть ее до достаточно высоких температур, максимально уменьшив при этом потери энергии. Например, в дейтерий-тритиевой плазме при температуре в 110 млн градусов, произведение числа частиц в кубическом сантиметре на время их удержания (в секундах) должно быть не менее 1014.

Схема токамака
Схема устройства токамака

Однако плазма – весьма беспокойная субстанция. Она не любит, когда ее удерживают, и постоянно стремится выйти из-под контроля. С этой проблемой физики столкнулись еще в 60-е годы. Чтобы хотя бы частично решить ее, потребовалось значительно усложнить конструкцию реактора.

Мы до сих пор не слишком хорошо понимаем, что такое плазма. Ученые не знают, как в ней происходит перенос тепла и удерживается энергия. Не существует общепринятой теории, которая бы смогла объяснить процессы, происходящие в этой загадочной субстанции.

Второй серьезной проблемой является потеря энергии. Плазма, как и любое другое нагретое тело, начинает излучать в электромагнитном диапазоне, стремительно при этом остывая. Чтобы поддерживать температуру на довольно высоком уровне, приходится постоянно вкачивать огромное количество энергии.

Кроме глобальных физических, перед инженерами встало множество чисто прикладных вопросов. В результате идея управляемого синтеза, которая в моделях выглядела многообещающе, оказалась очень сложной для реализации. Например, в серьезную проблему превратилась обычная пыль. Она проникает в вакуумные камеры реакторов и поглощает заметную часть ядерного топлива.

Состояние системы, при котором в ходе реакции синтеза выделяется столько же энергии, сколько затрачено на ее запуск и поддержку, обозначается литерой Q. Для самоподдерживающей реакции без внешнего подогрева коэффициент должен быть равен 5, и этот показатель до сих пор не достигнут. Для получения стабильной плазмы, пригодной для коммерческих установок, нужны гораздо  большие значения. Например, на ITER планируют достигнуть Q ~ 30.

Справедливости ради следует отметить, что огромные средства, выделяемые физикам на протяжении десятилетий, потрачены не впустую. Параметры современных реакторов всего лишь в несколько раз хуже необходимых для достижения устойчивой термоядерной реакции. Несколько десятилетий назад отставание было на порядки.

Достоинства термоядерной энергетики

Энтузиазм вокруг термоядерной энергии, наблюдавшийся в 60-е и 70-е годы, давно прошел. Теперь сами ученые нехотя признают, что в ближайшее десятилетие работающий термоядерный реактор мы, скорее всего, не увидим. Несмотря на это, попытки «зажечь» искусственное солнце не прекращаются. Выгоды, которые несет укрощение этой технологии, легко объясняют подобную настойчивость.

Колоссальная энергоэффективность

Чтобы понять, какие «пряники» может дать человечеству термоядерная энергия, нужно сравнить ее с обычным ископаемым горючим. Сжигание одного грамма угля дает 34 тыс. джоулей, газа или нефти — 44 тыс. джоулей, древесины — всего 7 тыс. джоулей. При слиянии ядер дейтерия и трития выделяется 17,6 мегаэлектронвольт энергии, что в пересчете на один грамм составляет 170 млрд джоулей тепла. Это количество равняется общемировому потреблению за 14 минут.

Прототип термоядерной установки
Еще один прототип термоядерной установки. Ученые пытаются получить плазму, пропустив через смесь дейтерия и тритий огромный по мощности электрический заряд

Термоядерный синтез – самый эффективный из известных на сегодня способов получения энергии, включая даже обычные ядерные реакторы. Из одного килограмма исходной смеси, в термоядерном реакторе можно получить в три раза больше энергии, чем в ядерном. В 86 г дейтерий-тритиевой смеси находится столько же энергии, как в 1 тыс. тонн высококачественного угля.

Запасы ископаемого топлива не бесконечны. В один «прекрасный» момент мы полностью исчерпаем месторождения угля, нефти и природного газа. Сырье для термоядерного синтеза можно получать буквально из воды. Теоретически управляемый синтез способен открыть человечеству новую эпоху практически бесплатной энергии, кардинально изменив мировую экономику и повседневную жизнь людей.

Безвредность

Сжигание нефти, угля и газа наносит серьезный вред окружающей среде и способствует изменениям климата. Долгое время их альтернативой считался «мирный атом», однако, атомные станции имеют очевидные недостатки. Во время работы они действительно практически не вредят экологии, но аварии на подобных объектах приводят к катастрофическим последствиям колоссальных масштабов. Чернобыль и Фукусима – наглядное тому подтверждение.

Для работы АЭС необходимы сотни килограммов ядерного топлива, которое дает примерно такое же количество высокорадиоактивных отходов с периодом полураспада в тысячи лет. Перерабатывать их мы не умеем до сих пор. Данный фактор важен не только для безопасности – перевозка и утилизация отходов весьма затратны.

Масса топлива, необходимая для работы термоядерного реактора, измеряется граммами, а отходами «производства» являются безвредные вещества типа водорода или гелия. Да, для дейтерий-тритиевой реакции необходим радиоактивный тритий, но вес его будет мизерным.

Безопасность

Термоядерный реактор никогда не взорвется: процессы, проходящие в нем, не являются самоподдерживающимися. В самой его конструкции заложены механизмы, препятствующие распространению радиоактивных веществ. Например, камера, в которой происходит реакция, должна быть герметичной, иначе система просто не будет работать.

Российский термоядерный реактор
Российский лазерный термоядерный реактор, установленный в Сарове

Управляемый синтез не может быть источником материалов для производства оружия массового поражения. Хотя это и кажется не особенно важным, но данный фактор сыграл серьезную роль в развитии и распространении ядерной энергетики. Кто не верит, может спросить у Ирана и Северной Кореи. Невозможность военного использования и отсутствие радиоактивных материалов уменьшает уязвимость термоядерных реакторов для террористической угрозы.

Недостатки технологии

Недостатки термоядерной энергетики, как и ее достоинства – вещь довольно условная. Пока не существует работающего прототипа реактора, и точно неизвестно, каким именно он будет. Однако некоторые «подводные камни» технологии хорошо видны уже сегодня.

Стоимость

Ядерный синтез изначально представлялся как способ дешевого получения энергии, но сегодня это утверждение все чаще поддается критике. Существующие устройства для удержания плазмы – это фантастически сложные конструкции весом в десятки тонн, с сотнями сверхпроводящих магнитов и замысловатой системой охлаждения жидким гелием. Их цена может достигать десятков миллиардов долларов. Примером может служить все тот же ITER, на который первоначально планировали потратить 5 млрд евро. Сегодня разработчики не уверены, что вложатся в сумму 20 миллиардов.

Согласно результатам исследования, проведенного по заказу британского парламента, себестоимость термоядерной энергии будет не ниже, чем при использовании самых дорогих видов традиционного топлива. На самом деле, вопрос является открытым: мы не знаем, по какой именно схеме и на каком топливе будут работать реакторы будущего.

Топливо

Вероятно, что первые реакторы будут работать на дейтерий-тритиевой смеси: другие варианты сейчас выглядят малореалистичными. С дейтерием проблем нет – его можно получать из обычной воды, а вот тритий придется нарабатывать в специальных реакторах, и стоит такое удовольствие недешево.

В 2010 году производство килограмма этого вещества обходилось в 30 млн долларов. Конечно, есть практически «дармовая» дейтерий-дейтериевая реакция, но она протекает значительно сложнее. Кроме того, в ходе вышеуказанных взаимодействий возникает колоссальный поток нейтронов, облучающий конструкцию реактора и делающий его радиоактивным. Куда интереснее выглядит использование «безнейтронного» гелия-3, но осуществить взаимодействие с его участием мы пока не можем даже теоретически. К тому же за этим изотопом придется лететь на Луну, а то и на Юпитер, что выглядит абсолютной фантастикой.

Радиоактивность

Ядерный синтез обычно позиционируется как абсолютно чистый способ получения энергии, но это не совсем так. Действительно, при слиянии ядер не образуется килограммов токсичных отходов, но есть другая беда – наведенная радиация. Она возникает при воздействии нейтронов на конструкцию реакторов. Согласно некоторым оценкам, в постоянно работающих термоядерных установках радиация  будет в сто раз интенсивнее, чем в реакторах существующих атомных станций. Как решать эту проблему – непонятно: либо необходимо разрабатывать новые материалы, устойчивые к воздействию нейтронного облучения, либо элементы конструкций придется постоянно менять. Правда, в последнем случае неизбежно встанет вопрос о рентабельности подобных проектов. Еще можно добавить, что усложнение конструкции термоядерных реакторов дошло до такого уровня, что превратилось в фундаментальную проблему для их проектирования, создания и контроля качества.

Наиболее значимые проекты

Самым известным и продвинутым проектом в области термоядерного синтеза является ITER, что расшифровывается как International Thermonuclear Experimental Reactor. Его смело можно назвать уникальным: по размерам и технической сложности этот реактор превзойдет все построенное человечеством ранее, включая знаменитый Большой адронный коллайдер. Уже завершены подготовительные работы, и сейчас ведется строительство. Объект расположен на юге Франции, неподалеку от Марселя. Реактор выполнен по схеме «токамак».

ИТЭР

ИТЭР
ИТЭР — это, вероятно, самый сложный проект в истории человечества

ИТЭР должен продемонстрировать практическую возможность термоядерного синтеза. Он не будет вырабатывать электричество: такая возможность просто не заложена в проекте.

Реактор ITER — по-настоящему монструозное сооружение массой в 400 тыс. т с мощнейшей магнитной системой, специальным роботизированным манипулятором, способным поднимать пятидесятитонные грузы, и сложнейшей системой отвода тепла. Энергопотребление объекта – 600 Мвт, что сопоставимо с потребностями небольшого города. Для охлаждения установки будет построен специальный завод по производству жидкого гелия.

Проект настолько масштабен, что для его реализации понадобились совместные усилия ЕС, США, России, Японии и Южной Кореи. Зажечь дейтерий-тритиевую плазму планируют в 2027 году, если, конечно, сроки опять не сдвинутся. Планируется, что в этом реакторе удастся добиться десятикратного (Q=10) превышения выделенной энергии над затраченной.

Прототипом первой коммерческой термоядерной электростанции станет DEMO, запуск первой очереди которой назначен на 2048 год.

JET (Joint European Torus)

JET
JET — один из самых больших действующих термоядерных реакторов

Это крупнейший в мире действующий термоядерный реактор, предназначенный для изучения процессов, протекающих в высокотемпературной плазме. Установка выполнена по схеме токамак, объем плазмы составляет 100 куб. метров. JET был введен в строй в 1984 году.

За более чем тридцать лет эксплуатации, на этом реакторе был установлен ряд мировых рекордов. Впервые была достигнута температура плазмы в 150 млн градусов и мощность в 16 Мвт с энергоэффективностью Q ~ 0,7.

EAST

Китайский токамак, введенный в эксплуатацию в 2006 году. На его счету несколько серьезных достижений. В 2016 году в течение 102 секунд удалось удержать плазму, разогретую до температуры 5×107 К. А в конце прошлого года EAST достиг отметки в 100 млн градусов. Данный эксперимент получил громкое название «искусственное солнце Китая».

EAST
Китайский реактор EAST. Пекин вкладывает серьезные деньги в термоядерную энергетику

Частные проекты

В последние годы в данной области все активнее участвует частный капитал. Небольшие компании и стартапы считают, что справятся с «термоядерными» проблемами быстрее и эффективнее, чем огромные и забюрократизированные государственные структуры. Все вышеперечисленные проекты направлены исключительно на решение исследовательских задач, бизнес же интересует в первую очередь практическая реализация технологии.

Например, американская компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) совместно с учеными из Массачусетского технологического института занимается разработкой токамака Sparc. В финансировании проекта принимает участие фонд Breakthrough Energy Ventures под руководством Билла Гейтса, Джеффа Безоса, Майкла Блумберга. Еще одним спонсором является итальянский энергетический гигант Eni.

Основная задача разработчиков – создание компактного термоядерного реактора, который можно было бы установить на заводе или фабрике. Для этого в установке будет использована технология высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), которая позволяет получать магнитное поле большой напряженности. Она была открыта в 1987 году, поэтому «не успела» на ITER. С помощью ВТСП ученые планируют добиться Q = 13,6, хотя сама установка в 65 раз меньше ИТЭРа.

Еще более амбициозные планы ставит перед собой компания Lockheed Martin. В 2015 году представители компании объявили о прорыве в области управляемого синтеза, и грозятся уже к 2020 году представить миру прототип работающего термоядерного реактора мощностью в 100 мегаватт. Причем он будет не просто компактным, а крошечным – всего два на три метра. Такое устройство легко разместится не только на производственных площадках, но и на кораблях и даже самолетах. Если оно, конечно, существует.

Реактор Lockheed Martin
Американская компания Lockheed Martin обещает показать прототип своего революционного реактора уже в следующем году

О конструкции революционного реактора мы знаем немного: известно, что плазма удерживается с помощью магнитных зеркал с использованием высокотемпературных сверхпроводников. Работой устройства будет управлять квантовый компьютер D-Wave, купленный компанией несколько лет назад за 12 млн долларов. Такие продвинутые «мозги» позволят системе оперативно реагировать на любые изменения характеристик плазмы. Правда, специалисты относятся к заявлениям Lockheed Martin довольно скептически: слишком уж нереально выглядят характеристики их устройства.

Не менее интересным проектом является термоядерная установка Machine 3, разработкой которой занимается компания FirstLight Fusion в кооперации с Оксфордским университетом. Устройство способно генерировать колоссальный электрический заряд напряжением в 200 тыс. вольт с силой тока в 14 тыс. ампер. С его помощью разработчики планируют добиться устойчивой термоядерной реакции. Запуск Machine 3 намечен на конец 2019 года.

Американский стартап TAE Technologies обещает начать коммерческие поставки термоядерных реакторов через пять лет. Причем не обычных дейтерий-тритиевых, а работающих на смеси водород + бор-11. Это «безнейтронная» реакция, в ходе которой получается безвредный гелий. Более того, электричество в установках можно будет получать прямо из потока заряженных частиц, без теплоносителя и турбин. Хотелось бы в это верить, но…

Вместо резюме

Термоядерный двигатель
Термоядерный двигатель позволит человечеству приступить к освоению Солнечной системы. На химических движках далеко не улетишь…

История управляемого синтеза — яркий пример переоценки собственных возможностей. Теоретическая наука блестяще справилась со своей частью задачи, не только отработав саму идею нового способа получения энергии, но просчитав несколько вариантов его реализации. А инженеры, материаловеды и управленцы так и не сумели воплотить ее «в металле». Более того, они даже не смогли оценить всю сложность задачи. Полвека исследований в данной области позволяют нам сделать важные и не слишком утешительные выводы.

Термоядерная энергетика вовсе не является кристально чистой. Единственная доступная сегодня реакция D+T дает такой поток нейтронного излучения, что корпуса реакторов придется менять раз в 5-10 лет. Вероятно, что в ближайшие 10-15 лет мы достигнем показателя Q=20, получив таким образом стабильную термоядерную плазму. Скорее всего, этот рубеж будет преодолен на реакторе ИТЕРа. Однако вряд ли это будет окончательной победой и укрощением «строптивого» термояда. Уже сейчас очевидно, что монструозные проекты типа ITER – это тупиковый путь, малопригодный для практического использования. Гигаватные реакторы подобной конструкции фантастически сложны, они стоят гораздо дороже обычных урановых, а тритий для реакции D + T очень дорог и дефицитен.

«Безнейтронные» реакции синтеза пока для нас недоступны, так что организовывать лунную добычу гелия-3 нет никакого смысла.

Несмотря на вышесказанное, работы в области термоядерного синтеза будут продолжены. Возможно, что в ближайшие годы нас ожидают новые открытия в области сверхпроводников или мы лучше научимся понимать природу плазмы. В этом случае можно будет говорить о коммерческом использовании управляемого синтеза. Может быть, разработку будущих термоядерных реакторов поручат искусственному интеллекту, что обеспечит настоящий прорыв в этой области.

Ну и чтобы не заканчивать на совсем уж минорной ноте отметим, что управляемый термоядерный синтез подарит человечеству космос. Использование данного источника энергии позволит разгонять космические аппараты примерно до 10% от скорости света. Мы, наконец-то, сможем приступить к освоению Солнечной системы. Путешествия к другим планетам будут занимать недели, в крайнем случае, месяцы. Возможна даже отправка экспедиций к ближайшим звездным системам. Нужно только построить компактный и мощный термоядерный космический двигатель.

Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них