Солнце в машине: как ученые сделали еще один шаг к созданию термоядерной энергетики и почему это может изменить мир
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.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора
Источник
Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку — прекрасная идея. «Но проблема в том, что мы не знаем, как создать такую коробку», — говорил нобелевский лауреат Пьер Жиль де Жен в 1991 году. Однако к середине 2018 года мы уже знаем как. И даже строим. Лучшие умы мира трудятся над проектом международного экспериментального термоядерного реактора ITER — самого амбициозного и дорогого эксперимента современной науки.
Такой реактор стоит в пять раз больше, чем Большой адронный коллайдер. Над проектом работают сотни ученых по всему миру. Его финансирование запросто может перевалить за 19 млрд евро, а первую плазму по реактору пустят только в декабре 2025 года. И несмотря на постоянные задержки, технологические трудности, недостаточное финансирование со стороны отдельных стран-участниц, самый большой в мире термоядерный «вечный двигатель» строится. Преимуществ у него куда больше, чем недостатков. Каких? Рассказ о самой грандиозной научной стройке современности начинаем с теории.
Что такое токамак?
Под действием огромных температур и гравитации в глубинах нашего Солнца и других звезд происходит термоядерный синтез. Ядра водорода сталкиваются, образуют более тяжелые атомы гелия, а заодно высвобождают нейтроны и огромное количество энергии.
Современная наука пришла к выводу, что при наименьшей исходной температуре наибольшее количество энергии производит реакция между изотопами водорода — дейтерием и тритием. Но для этого важны три условия: высокая температура (порядка 150 млн градусов по Цельсию), высокая плотность плазмы и высокое время ее удержания.
Дело в том, что создать такую колоссальную плотность, как у Солнца, нам не удастся. Остается только нагревать газ до состояния плазмы посредством сверхвысоких температур. Но ни один материал не способен вынести соприкосновения со столь горячей плазмой. Для этого академик Андрей Сахаров (с подачи Олега Лаврентьева) в 1950-е годы предложил использовать тороидальные (в виде пустотелого бублика) камеры с магнитным полем, которое удерживало бы плазму. Позже и термин придумали — токамак.
Современные электростанции, сжигая ископаемое топливо, конвертируют механическую мощность (кручения турбин, например) в электричество. Токамаки будут использовать энергию синтеза, абсорбируемую в виде тепла стенками устройства, для нагрева и производства пара, который и будет крутить турбины.
Небольшие экспериментальные токамаки строились по всему миру. И они успешно доказали, что человек может создать высокотемпературную плазму и удерживать ее некоторое время в стабильном состоянии. Но до промышленных образцов еще далеко.
Преимущества и недостатки термоядерных реакторов
Типичные ядерные реакторы работают на десятках тонн радиоактивного топлива (которые со временем превращаются в десятки тонн радиоактивных отходов), тогда как термоядерному реактору необходимы лишь сотни грамм трития и дейтерия. Первый можно вырабатывать на самом реакторе: высвобождающиеся во время синтеза нейтроны будут воздействовать на стенки реактора с примесями лития, из которого и появляется тритий. Запасов лития хватит на тысячи лет. В дейтерии тоже недостатка не будет — его в мире производят десятками тысяч тонн в год.
Термоядерный реактор не производит выбросов парниковых газов, что характерно для ископаемого топлива. А побочный продукт в виде гелия-4 — это безвредный инертный газ.
К тому же термоядерные реакторы безопасны. При любой катастрофе термоядерная реакция попросту прекратится без каких-либо серьезных последствий для окружающей среды или персонала, так как нечему будет поддерживать реакцию синтеза: уж слишком тепличные условия ей необходимы.
Однако есть у термоядерных реакторов и недостатки. Прежде всего это банальная сложность запуска самоподдерживающейся реакции. Ей нужен глубокий вакуум. Сложные системы магнитного удержания требуют огромных сверхпроводящих магнитных катушек.
И не стоит забывать о радиации. Несмотря на некоторые стереотипы о безвредности термоядерных реакторов, бомбардировку их окружения нейтронами, образующимися во время синтеза, не отменить. Эта бомбардировка приводит к радиации. А потому обслуживание реактора необходимо проводить удаленно. Забегая вперед, скажем, что после запуска непосредственным обслуживанием токамака ITER будут заниматься роботы.
К тому же радиоактивный тритий может быть опасен при попадании в организм. Правда, достаточно будет позаботиться о его правильном хранении и создать барьеры безопасности на всех возможных путях его распространения в случае аварии. К тому же период полураспада трития — 12 лет.
Когда необходимый минимальный фундамент теории заложен, можно перейти и к герою статьи.
Самый амбициозный проект современности
В 1985 году в Женеве состоялась первая за долгие годы личная встреча глав СССР и США. До этого холодная война достигла своего пика: сверхдержавы бойкотировали Олимпиады, наращивали ядерный потенциал и на какие-либо переговоры идти не собирались. Этот саммит двух стран на нейтральной территории примечателен и другим важным обстоятельством. Во время него генсек ЦК КПСС Михаил Горбачев предложил реализовать совместный международный проект по развитию термоядерной энергетики в мирных целях.
Спустя год между американскими, советскими, европейскими и японскими учеными было достигнуто соглашение по проекту, началась проработка концептуального дизайна крупного термоядерного комплекса ITER. Проработка инженерных деталей затянулась, США то выходили, то возвращались в проект, к нему со временем присоединились Китай, Южная Корея и Индия. Участники разделяли обязанности по финансированию и непосредственным работам, а в 2010 году наконец стартовала подготовка котлована под фундамент будущего комплекса. Его решили строить на юге Франции возле города Экс-ан-Прованс.
Так что же такое ITER? Это огромный научный эксперимент и амбициозный энергетический проект по строительству самого большого токамака в мире. Сооружение должно доказать возможность коммерческого использования термоядерного реактора, а также решить возникающие физические и технологические проблемы на этом пути.
Из чего состоит реактор ITER?
Токамак — это тороидальная вакуумная камера с магнитными катушками и криостатом массой в 23 тыс. тонн. Как уже понятно из определения, у нас есть камера. Глубокая вакуумная камера. В случае с ITER это будет 850 кубометров свободного объема камеры, в котором на старте будет всего 0,1 грамма смеси дейтерия и трития.
На внутренних стенках камеры расположены специальные модули, которые называют бланкетами. Внутри них циркулирует вода. Вырывающиеся из плазмы свободные нейтроны попадают в эти бланкеты и тормозятся водой. Из-за чего она нагревается. Сами бланкеты защищают всю остальную махину от теплового, рентгеновского и уже упомянутого нейтронного излучения плазмы.
Такая система необходима для того, чтобы продлить срок работы реактора. Каждый бланкет весит порядка 4,5 тонны, их будет менять роботизированная рука примерно раз в 5—10 лет, так как этот первый ряд обороны будет подвержен испарению и нейтронному излучению.
Но это далеко не все. К камере присоединяется внутрикамерное оборудование, термопары, акселерометры, уже упомянутые 440 блоков бланкетной системы, системы охлаждения, экранирующий блок, дивертор, магнитная система из 48 элементов, высокочастотные нагреватели плазмы, инжектор нейтральных атомов и т. д. И все это находится внутри огромного криостата высотой 30 метров, имеющего такой же диаметр и объем 16 тыс. кубометров. Криостат гарантирует глубокий вакуум и ультрахолодную температуру для камеры токамака и сверхпроводящих магнитов, которые охлаждаются жидким гелием до температуры –269 градусов по Цельсию.
Производство всего этого оборудования разделено между странами-участницами. Например, над частью бланкетов работают в России, над корпусом криостата — в Индии, над сегментами вакуумной камеры — в Европе и Корее.
Но это отнюдь не быстрый процесс. К тому же права на ошибку у конструкторов нет. Команда ITER сперва моделирует нагрузки и требования к элементам конструкции, их испытывают на стендах (например, под воздействием плазменных пушек, как дивертор), улучшают и дорабатывают, собирают прототипы и опять тестируют перед тем, как выдать финальный элемент.
Но одно дело собрать. И совсем другое — все это обслуживать. Из-за высокого уровня радиации доступ к реактору заказан. Для его обслуживания разработано целое семейство роботизированных систем. Часть будет менять бланкеты и кассеты дивертора (весом под 10 тонн), часть — управляться удаленно для устранения аварий, часть — базироваться в карманах вакуумной камеры с HD-камерами и лазерными сканерами для быстрой инспекции. И все это необходимо делать в вакууме, в узком пространстве, с высокой точностью и в четком взаимодействии со всеми системами. Задачка посложнее ремонта МКС.
Причем это только часть оборудования самого реактора. Добавьте сюда здание криокомбината, где будут вырабатывать жидкий азот и гелий, здание выпрямителей магнитной системы с трансформаторами, трубопроводы системы охлаждения (диаметром по 2 метра), систему сброса тепла с 10 вентиляторными градирнями и многое-многое другое. На все это и идут миллиарды.
Зачем нужен ITER и кто за него платит?
Токамак ITER станет первым термоядерным реактором, который будет вырабатывать больше энергии, чем необходимо для нагрева самой плазмы. К тому же он сможет поддерживать ее в стабильном состоянии намного дольше ныне существующих установок. Ученые утверждают, что именно для этого и нужен столь масштабный проект.
С помощью такого реактора специалисты собираются преодолеть разрыв между нынешними небольшими экспериментальными установками и термоядерными электростанциями будущего. Например, рекорд по термоядерной мощности был установлен в 1997 году на токамаке в Британии — 16 МВт при затраченных 24 МВт, тогда как ITER конструировали с прицелом на 500 МВт термоядерной мощности от 50 МВт вводимой тепловой энергии.
На токамаке будут испытаны технологии нагрева, контроля, диагностики, криогеники и дистанционного обслуживания, то есть все методики, необходимые для промышленного образца термоядерного реактора.
Объемов мирового производства трития будет недостаточно для электростанций будущего. А потому на ITER отработают также технологию размножающегося бланкета, содержащего литий. Из него под действием термоядерных нейтронов и будут синтезировать тритий.
Однако не стоит забывать, что это пускай и дорогой, но эксперимент. Токамак не будет оборудован турбинами или другими системами конвертации тепла в электричество. То есть коммерческого выхлопа в виде непосредственной генерации энергии не будет. Почему? Потому что это только усложнило бы проект с инженерной точки зрения и сделало бы его еще более дорогим.
Схема финансирования довольно запутанная. На стадии строительства, создания реактора и прочих систем комплекса примерно 45% расходов несут страны Евросоюза, остальные участники — по 9%. Однако бóльшая часть взносов — это «натура». Большинство компонентов поставляются в ITER напрямую от стран-участниц.
Они прибывают во Францию по морю, а из порта к стройплощадке доставляются по дороге, специально переделанной французским правительством. На 104 км «Пути ITER» страна потратила 110 млн евро и 4 года работы. Трасса была расширена и усилена. Дело в том, что до 2021 года по ней пройдут 250 конвоев с огромными грузами. Самые тяжелые детали достигают 900 тонн, самые высокие — 10 метров, самые длинные — 33 метра.
Пока ITER не ввели в эксплуатацию. Однако уже существует проект электростанции DEMO на термоядерном синтезе, задача которой как раз и продемонстрировать привлекательность коммерческого использования технологии. Этот комплекс должен будет непрерывно (а не импульсно, как ITER) генерировать 2 ГВт энергии.
Сроки реализации нового глобального проекта зависят от успехов ITER, но по плану 2012 года первый пуск DEMO произойдет не раньше 2044 года.
Читайте также:
Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!
Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!
Источник