Термоядерна енергія вільна енергія майбутнього

Створити вічне джерело енергії на землі. Звучить утопічно? А от і ні.

Термоядерний синтез дозволить отримати так звану вільну енергію буквально з води, при цьому відходами виробництва будуть абсолютно безпечні водень та гелій.

І цей процес не є винаходом людини. Всесвіт активно і повсюдно використовує термоядерні реактори. Найближчим до нас є Сонце.

Основна проблема в тому, що вченим досі не вдавалося створити такий реактор термоядерного синтезу, щоб кількість енергії, що виділялася в результаті реакції, була більшою за ту кількість, яка потрібна, власне, для здійснення самої реакції.

Із підручників фізики: що ж таке термоядерний синтез?

Перш ніж перейти до основної частини нашого матеріалу і розібратися, чому навколо термоядерного синтезу стільки розмов, давайте пригадаємо уроки фізики за 11-ий клас, але якщо пригадувати нічого (і таке буває), то читаємо далі.

Ми вже знаємо як за допомогою контрольованої ядерної реакції людство отримує енергію. Ядерні реактори, які нині експлуатуються, використовують процес розщеплення атомів, під час якого ядра атомів діляться на 2-3 ядра з меншими масами. Термоядерний синтез же навпаки передбачає не поділ, а об’єднання атомів. Простіше кажучи, отримання важких атомних ядер з легших.

Як це відбувається?

Атомні ядра складаються з двох типів нуклонів – протонів і нейтронів. Їх утримує разом так звана сильна взаємодія. При цьому енергія зв’язку кожного нуклона з іншими залежить від загального числа нуклонів у ядрі. У легких ядер зі збільшенням числа нуклонів енергія зв’язку зростає, а у важких падає. Якщо додавати нуклони у легкі ядра або видаляти нуклони з важких атомів, ця різниця в енергії зв’язку буде виділятися у вигляді різниці між витратами на здійснення реакції і кінетичної енергією частинок, що вивільняються.

Зміна складу ядра називається ядерним перетворенням або ядерною реакцією. Ядерна реакція зі збільшенням кількості нуклонів в ядрі називається термоядерної реакцією або ядерним синтезом. У основі процесу керованого термоядерного синтезу лежить синтез атомних ядер з легших в більш важкі з виділенням енергії.

Схема термоядерного синтезу для дейтерію і тритію

Протони у ядрі мають електричний заряд, а значить, відчувають кулонівське відштовхування. У ядрі це відштовхування компенсується сильною взаємодією, що утримує нуклони разом. Але сильна взаємодія має радіус дії набагато менший кулонівського відштовхування. Тому для злиття двох ядер в одне потрібно спочатку їх зблизити, долаючи кулонівське відштовхування. Відомо кілька таких способів: у надрах зірок – гравітаційні сили, у прискорювачах – кінетична енергія розігнаних ядер або елементарних частинок, у термоядерних реакторах і термоядерній зброї – енергія теплового руху ядер атомів.

Трохи історії

Як ми згадали на початку, термоядерний синтез – це не винахід людини. У 1934 році, спостерігаючи за зоряним небом, американський фізик радянського походження Георгій Гамов висунув гіпотезу, що зірки горять завдяки ядерним реакціям, які в них відбуваються.

Його припущення через чотири роки розвинув американець Ханс Бете. У центрі Сонця, вважав Бете, ядра водню стикаються, перетворюючись у ізотопи, а потім і в інші елементи. Різниця їх масових чисел і запалює світило.

У 40-х роках XX століття один із учасників «Манхеттенського проєкту» (мова йде про розробку ядерної зброї) запропонував колегам подумати над бомбою не розпаду, а синтезу, тобто водневою.

Математик Станіслав Улам описав можливий алгоритм термоядерного синтезу і розпочалися практичні досліди. У 1951 році, через шість років після випробувань ядерної, США провели попереднє, а через рік – повномасштабне випробування термоядерного заряду. Паливом для нього слугували рідкі ізотопи водню, які потім, заради збільшення потужності, замінили на суміш дейтериду літію: 40% дейтериду літію-6 і 60% дейтериду літію-7.

Ідею про застосування термоядерного синтезу у промислових цілях висунув радянський фізик Олег Лаврентьєв. Незабаром, одночасно з американцями, Ігор Тамм і Андрій Сахаров допрацювали концепцію Лаврентьєва, запропонувавши закільцювати рух плазми у мідному «бублику» і ізолювати її магнітними пастками. Так з’явилася ідея токамака, який був побудований у 1954 році. До речі, перший у світі зразок термоядерного реактора – стеларатора, був збудований раніше радянського, астрофізиком Лайманом Спітцером у 1951 році у рамках секретного проєкту «Маттерхорн».

Однак, саме технологія токамака нині вважається найбільш розвиненою, адже щодо неї накопичено найбільше знань. Тому саме її було обрано в основу проєкту  International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), але про це трохи згодом.

Формально стеларатори вважаються більш прогресивними, ніж токамаки. Для цього є кілька причин. По-перше, в стелараторах плазму нагрівають і утримують тільки зовнішні струми і котушки. У токамаках розпал відбувається за рахунок електричного струму, що протікає в плазмі і одночасно створює додаткове магнітне поле. Через це в «бублику» токамака з’являються вільні електрони і іони вже зі своїми магнітними полями, які так і прагнуть зруйнувати основне поле, збити температуру і взагалі все зіпсувати.

По-друге, камери стелараторів не просто «бублики», а «м’яті бублики»: на відміну від токамаків, у них немає азимутальної симетрії. При цьому котушки на «м’ятих бубликах» стелараторів мають гвинтоподібну форму (на токамаках вони прямі і паралельні один одному) і «закручують» силові лінії, тобто піддають їх обертальному перетворенню. Це теж стабілізує плазму і ще – віддаляє теоретичну межу оптимального тиску в камері. А чим вище тиск, тим швидше відбудеться реакція.

Порівняння конструкції токамака (зліва) та стеларатора (справа)

Сонце, але на Землі

На півдні Франції, неподалік містечка Екс-ан-Прованс, 35 країн світу завершують історичне будівництво під назвою ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor – Міжнародний термоядерний експериментальний реактор. Кнопку, яка запустить у дію махину вагою 23 тисячі тонн, обіцяють натиснути через 5 років. Будівництво ж першого у світі термоядерного реактора триває більше 30 років.

«Наша машина – як Сонце, але на Землі», так описують своє дітище його творці.

У ході спорудження. Фото: ITER

ITER є першою у своєму роді машиною та унікальним науковим пристроєм. Це підсумковий експеримент, аби довести, що людство має технології, матеріали та знання, щоб зробити наступний крок і побудувати термоядерну електростанцію.

Проєкт стартував у листопаді 1985 року, коли, на Женевському саміті, генеральний секретар СРСР Михайло Горбачов запропонував президенту США Рональду Рейгану ідею спільного міжнародного проєкту з розробки термоядерної енергії в мирних цілях.

Рік тривали перемовини та було досягнуто згоди, до проєкту долучилися Європейський союз (Євратом), Японія, Радянський Союз і США. Роботи з концептуального проєктування почалися в 1988 році, після чого був довгий етап технічного проєктування, аж доки в 2001 році країни-члени затвердили остаточний проєкт ITER.

У 2003 році до проєкту приєдналися Китайська Народна Республіка і Республіка Корея, згодом – Індія. Вибір місця для спорудження ITER був також тривалою процедурою, яка завершилася в 2005 році.

Як ми вже згадували, в основі ITER – токамак, обрана ця технологія була виключно через кількість зібраних про неї знань.

Існує безліч технологій термоядерного синтезу, таких як стеларатори (Wendelstein-7X), лазерний синтез (Laser Megajoule і National Ignition Facility), протон-борний синтез (Tri-Alpha energy) тощо. Але наукове співтовариство вважає, що концепція токамака – найліпша для досягнення чистої енергії термоядерного синтезу.

Токамак у розрізі

Чи не найбільшою і найважливішою перевагою термоядерного реактора є його безпечність. І як пояснюють в ITER, у термоядерному реакторі неконтрольована ланцюгова реакція, яка призводить до розплавлення активної зони, просто неможлива. Адже дуже важко домогтися реакції синтезу й зберегти її. Але що б не сталося, у разі втрати контролю над нагріванням, охолодженням або подачею палива, тепло всередині вакуумної камери природним чином загасне. Це майже так само, як газовий пальник гасне, коли закручують кран. Процес ядерного синтезу безпечний за своєю суттю. Немає небезпеки витоку або вибуху.

Попередній звіт з безпеки ITER містить аналіз ризиків і подій, які можуть призвести до аварій на об’єкті. Під час нормальної роботи радіологічний вплив ITER на найвразливіші групи населення буде в тисячу разів меншим, ніж природне фонове випромінювання. А за «найгірших сценаріїв», таких, як пожежа на тритієвому заводі, евакуація або інші захисні заходи для населення, що межує із виробництвом, не знадобляться.

А зараз дещо розвіємо міф про безкоштовну енергію. Термоядерна енергія ніколи такою не буде. Вільною її називають тому що чиста і безпечна для майбутніх поколінь.

ITER вироблятиме 500 мегават теплової енергії. Такої кількості достатньо, щоб вивчати горіння плазми, стан, якого раніше на Землі ніколи не вдавалося домогтися в контрольованому середовищі.

Очікується, що комерційний термоядерний реактор буде в 10-15 разів потужнішим. Наприклад, термоядерна електростанція потужністю 2000 мегават зможе забезпечувати електроенергією 2 мільйони будинків. Вчені прогнозують, що промислові термоядерні установки можуть почати роботу вже в 2040 році. Точні терміни будуть залежати від рівня суспільного запиту та політичної волі, яка проявляється у фінансових інвестиціях, адже задоволення це не з дешевих.

Початкова капітальна вартість 2000-мегаватної термоядерної станції – близько 10 мільярдів доларів. Ці капітальні витрати компенсуються вкрай низькими витратами на обслуговування, незначними витратами на паливо та нечастими витратами на заміну компонентів упродовж 60-річного терміну служби установки.

Наголосимо, що ITER є експериментальною установкою, він не вироблятиме електрику. Усю енергію, яку виробить, буде перетворено на пару та випущено через градирні.

А  Україна?

Дослідження термоядерного синтезу в Україні здійснюються в КНУ ім. Т. Шевченка, Інституті фізики (м. Київ) і ННЦ ХФТІ (м. Харків), а також у деяких недержавних лабораторіях. Хоча Україна не є членом міжнародного проєкту ITER, наші фізики також беруть у ньому участь, шляхом співпраці з європейськими колегами. Таке співробітництво стало можливим завдяки тому, що від 2017 року Україна є повноправним членом Європейської фізичної спільноти з термоядерних досліджень.

В одному із своїх інтерв’ю український фізик, президент НАН України Анатолій Загородній сказав про ITER наступне: «Серед широкого кола задач на передній план зі збільшенням потужності реактора виходить проблема підвищення міцності внутрішньої стінки реактора, що контактує з густою і гарячою плазмою, і українські фізики ведуть активні дослідження в цьому напрямку. Іншими завданнями, над якими працюють наші науковці, є удосконалення діагностик та розробка теоретичних моделей плазмових процесів. Побудова промислового термоядерного реактора виявилась набагато складнішою, ніж це здавалося спочатку. Проте подолано велику частину шляху, і цей проєкт наблизить нас до нового потужного і екологічного джерела енергії».

При підготовці матеріалу були використані офіційні матеріали ITER.