Термоядерная энергия — свободная энергия будущего

Создать вечный источник энергии на земле. Звучит утопично? А вот и нет. Термоядерный синтез позволит получить так называемую свободную энергию буквально из воды, при этом отходами производства будут абсолютно безопасные водород и гелий. И этот процесс не является изобретением человека. Вселенная активно и повсеместно использует термоядерные реакторы. Ближайший к нам — Солнце.

Основная проблема в том, что ученым до сих пор не удавалось создать такой реактор термоядерного синтеза, чтобы количество энергии, выделяемое в результате реакции, было больше того количества, которое требуется, собственно, для осуществления самой реакции.

Из учебников физики: что же такое термоядерный синтез?

Прежде чем перейти к основной части нашего материала и разобраться, почему вокруг термоядерного синтеза столько разговоров, давайте вспомним уроки физики за одиннадцатый класс, но если вспоминать ничего (и такое бывает), то читаем дальше.

Мы уже знаем, как с помощью контролируемой ядерной реакции человечество получает энергию. Ядерные реакторы, которые сейчас эксплуатируются, используют процесс расщепления атомов, во время которого ядра атомов делятся на 2-3 ядра с меньшими массами. Термоядерный синтез же наоборот предполагает не разделение, а объединение атомов. Проще говоря, это получение тяжелых атомных ядер из более легких.

Как это происходит? Атомные ядра состоят из двух типов нуклонов — протонов и нейтронов. Их удерживает вместе так называемое сильное взаимодействие. При этом энергия связи каждого нуклона с другими зависит от общего числа нуклонов в ядре. В легких ядрах с увеличением числа нуклонов энергия связи возрастает, а в тяжелых — падает.

Если добавлять нуклоны в легкие ядра или удалять нуклоны из тяжелых атомов, эта разница в энергии связи будет выделяться в виде разницы между затратами на осуществление реакции и кинетической энергией высвобождающихся частиц. Изменение состава ядра называется ядерным превращениям или ядерной реакцией. Ядерная реакция с увеличением количества нуклонов в ядре называется термоядерной реакцией или ядерным синтезом. В основе процесса управляемого термоядерного синтеза лежит синтез атомных ядер из более легких в более тяжелые с выделением энергии.

Протоны в ядре имеют электрический заряд, а значит, испытывают кулоновское отталкивание. В ядре это отталкивание компенсируется сильным взаимодействием, что удерживает нуклоны вместе. Но сильное взаимодействие имеет радиус действия намного меньше кулоновского отталкивания. Поэтому для слияния двух ядер в одно нужно сначала их сблизить, преодолевая кулоновское отталкивание.

Известно несколько таких способов: в недрах звезд — гравитационные силы, в ускорителях — кинетическая энергия разогнанных ядер или элементарных частиц, в термоядерных реакторах и термоядерном оружии — энергия теплового движения ядер атомов.

Немного истории

Как мы упомянули в начале, термоядерный синтез — это не изобретение человека. В 1934 году, наблюдая за звездным небом, американский физик советского происхождения Георгий Гамов выдвинул гипотезу, что звезды горят благодаря ядерным реакциям, которые в них происходят. Его предположение четыре года развил американец Ханс Бете. В центре Солнца, считал Бете, ядра водорода сталкиваются, превращаясь в изотопы, а затем и в другие элементы. Разница их массовых чисел и зажигает светило.

В 40-х годах XX века один из участников «Манхэттенского проекта» (речь идет о разработке ядерного оружия) предложил коллегам подумать о бомбе не распада, а синтеза, то есть о водородной. Математик Станислав Улам описал возможный алгоритм термоядерного синтеза и начались практические опыты. В 1951 году, через шесть лет после применения ядерного оружия США провели предварительное, а через год — полномасштабное испытание термоядерного заряда. Топливом для него служили жидкие изотопы водорода, которые затем, ради увеличения мощности, заменили смесь дейтерида лития 40% дейтерида лития-6 и 60% дейтерида лития-7.

Идею о применении термоядерного синтеза в промышленных целях выдвинул советский физик Олег Лаврентьев. Вскоре, одновременно с американцами, Игорь Тамм и Андрей Сахаров доработали концепцию Лаврентьева, предложив закольцевать движение плазмы в медном «бублике» и изолировать ее магнитными ловушками. Так появилась идея токамака, который был построен в 1954 году.

Кстати, первый в мире образец термоядерного реактора — стелларатор, был построен ранее советского, астрофизиком Лайман Спитцер в 1951 году в рамках секретного проекта «Маттерхорн». Однако, именно технология токамака сейчас считается наиболее развитой, ведь по ней накоплено больше знаний. Поэтому именно она была избрана в основу проекта International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), но об этом чуть позже.

Формально стеллараторы считаются более прогрессивными, чем токамаки. Для этого есть несколько причин. Во-первых, в стеллараторах плазму нагревают и содержат только внешние токи и катушки. В токамаках разжигание происходит за счет электрического тока, протекающего в плазме и одновременно создающего дополнительное магнитное поле.

Поэтому в «бублике» токамака появляются свободные электроны и ионы уже со своими магнитными полями, которые так и стремятся разрушить основное поле, сбить температуру и вообще все испортить. Во-вторых, камеры стеллараторов не просто «бублики», а «мятые бублики»: в отличие от токамаков, у них нет азимутальной симметрии. При этом катушки на «мятых бубликах» стеллараторов имеют винтообразную форму (на токамаках они прямые и параллельны друг другу) и «закручивают» силовые линии, то есть подвергают их вращательному преобразованию. Это тоже стабилизирует плазму и еще — отдаляет теоретический предел оптимального давления в камере. А чем выше давление, тем быстрее произойдет реакция.

Солнце, но на Земле

На юге Франции, недалеко от городка Экс-ан-Прованс, 35 стран мира завершают историческое строительство под названием ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor — Международный термоядерный экспериментальный реактор. Кнопку, которая запустит в действие махину весом 23 тысяч тонн, обещают нажать через 5 лет.

Строительство же первого в мире термоядерного реактора продолжается более 30 лет. «Наша машина — как Солнце, но на Земле», — так описывают свое детище его создатели.

ITER является первой в своем роде машиной и уникальным научным устройством. Это итоговый эксперимент, чтобы доказать, что технологии, материалы и знания человечества достаточны, чтобы сделать следующий шаг и построить термоядерную электростанцию.

Проект стартовал в ноябре 1985 года, когда на Женевском саммите генеральный секретарь СССР Михаил Горбачев предложил президенту США Рональду Рейгану идею совместного международного проекта по разработке термоядерной энергии в мирных целях. Год продолжались переговоры и было достигнуто соглашение. К проекту присоединились также Европейский союз (Евратом) и Япония.

Работы по концептуальному проектированию начались в 1988 году, после чего был долгий этап технического проектирования, пока в 2001 году страны-члены утвердили окончательный проект ITER. В 2003 году в проекту присоединились Китай и Республика Корея, затем — Индия.

Выбор места для строительства ITER был также длительной процедурой, которая завершилась в 2005 году. Как мы уже упоминали, в основе ITER — токамак, выбранна эта технология была исключительно из-за количества собранных о нем знаний. Существует множество технологий термоядерного синтеза, таких как стеллараторы (Wendelstein-7X), лазерный синтез (Laser Megajoule и National Ignition Facility), протон-борный синтез (Tri-Alpha energy) и др. Но научное сообщество считает, что концепция токамака — лучшая для достижения чистой энергии термоядерного синтеза.

Едва ли не самым важнейшим преимуществом термоядерного реактора является его безопасность. И как объясняют в ITER, в термоядерном реакторе неконтролируемая цепная реакция, которая приводит к расплавлению активной зоны, просто невозможна. Ведь очень трудно добиться реакции синтеза и сохранить ее. Но что бы ни случилось, в случае потери контроля над нагревом, охлаждением или подачей топлива, тепло внутри вакуумной камеры естественным образом угаснет.

Это почти так же, как газовая горелка гаснет, когда закручивают кран. Процесс ядерного синтеза безопасный по своей сути. Нет опасности утечки или взрыва. Предварительный отчет по безопасности ITER содержит анализ рисков и событий, которые могут привести к авариям на объекте. Во время нормальной работы радиологическое  влияние ITER на уязвимые группы населения будет в тысячу раз меньше, чем естественное фоновое излучение. А при «худших сценариях», таких, как пожар на тритиевом заводе, эвакуация или другие защитные меры для населения на территорях,  граничащих с производством, не понадобятся.

А сейчас несколько развеем миф о бесплатной энергии. Термоядерная энергия никогда такой не будет. Свободной ее называют потому что она чистая и безопаснадля будущих поколений.

ITER будет производить 500 мегаватт тепловой энергии. Такого количества достаточно, чтобы изучать горение плазмы, состояние, которого ранее на Земле никогда не удавалось добиться в контролируемой среде. Ожидается, что коммерческий термоядерный реактор будет в 10-15 раз мощнее. Например, термоядерная электростанция мощностью 2000 мегаватт сможет обеспечивать электроэнергией 2 миллиона домов.

Ученые прогнозируют, что промышленные термоядерные установки могут начать работу уже в 2040 году. Точные сроки будут зависеть от уровня общественного запроса и политической воли, которая проявляется в финансовых инвестициях, ведь удовольствие это не из дешевых. Начальная капитальная стоимость 2000 мегаваттной термоядерной станции — около 10 млрд долларов. Эти капитальные затраты компенсируются крайне низкими затратами на обслуживание, незначительными затратами на топливо и нечастыми расходами на замену компонентов в течение 60-летнего срока службы установки.

Отметим, что ITER является экспериментальной установкой, она не будет производить электричество. Всю энергию, которую произведет, будет преобразовано в пар и выпущено через градирни.

А Украина?

Исследование термоядерного синтеза в Украине осуществляются в КНУ им. Т. Шевченко, Институте физики (г. Киев) и ННЦ ХФТИ (г. Харьков), а также в некоторых негосударственных лабораториях. Хотя Украина не является членом международного проекта ITER, наши физики также принимают в нем участие путем сотрудничества с европейскими коллегами. Такое сотрудничество стало возможным благодаря тому, что с 2017 года Украина является полноправным членом Европейского физического сообщества по термоядерных исследованиях.

В одном из своих интервью украинский физик, президент НАН Украины Анатолий Загородный сказал о ITER следующее: «Среди широкого круга задач на передний план с увеличением мощности реактора выходит проблема повышения прочности внутренней стенки реактора, контактирующей с густой и горячей плазмой, и украинские физики ведут активные исследования в этом направлении.

Другими задачами, над которыми работают наши ученые, является совершенствование диагностик и разработка теоретических моделей плазменных процессов. Построение промышленного термоядерного реактора оказалась гораздо сложнее, чем это казалось сначала. Однако преодолена большая часть пути, и этот проект приблизит нас к новому мощному и экологичному источнику энергии».

При подготовке материала были использованы официальные материалы ITER.