Термоядерное послезавтра

14.08.13 09:46

Близок локоть...

Если заходит речь о термоядерном синтезе, атомщики вспоминают старый анекдот. Журналисты спрашивают ученого-термоядерщика: «Когда?» –  «Через 10 лет», – отвечает он. Прошло десятилетие. «Когда?» – «Через 10 лет». – «Но ведь Вы в прошлый раз говорили то же самое!» – «А я свое мнение не меняю», – гордо отвечает ученый.

Этот анекдот отразил историческую суть термоядерной технологии. На первый взгляд, задача освоения управляемого термоядерного синтеза казалась довольно простой. Термоядерной энергией в военных целях овладели довольно быстро и успешно: уже в 1961 г. в СССР была взорвана знаменитая 58-мегатонная бомба, получившая народное название «Кузькина мать» и способная на полной мощности достигать 100 мегатонн.

Однако, если с момента взрыва первой в СССР атомной бомбы (Семипалатинск, 1949 г.) до создания первой демонстрационной атомной электростанции (Обнинск, 1954 год) прошла всего лишь пятилетка, то демонстрационный термоядерный реактор планируется построить лишь к 2020 г. – да и то усилиями всего мирового сообщества. Причиной более чем полувековой задержки послужил целый ряд трудноразрешимых научно-инженерных проблем и необходимость овладения промышленными технологиями, многие из которых и сегодня едва-едва дотянулись до минимального необходимого уровня.

 

Стройка в полном разгаре: вид на ITER в феврале 2013 г.

 

Шаг за шагом

Изначально именно советские физики выдвинулись на передовые позиции в термоядерных исследованиях. Будущий ученый О.А. Лаврентьев, проходивший в ту пору срочную службу в армии, еще в 1950 г. направил советским властям письмо с изложением концепций использования термоядерной реакции как в военных, так и в энергетических целях. С 1951 г. советскую термоядерную программу развивали академики А.Д. Сахаров, И.Е. Тамм, Л.А. Арцимович. В 1956 г. в Институте атомной энергии под руководством И.Н. Головина и Н.А. Явлинского был построен первый в мире токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками) – этот принцип удержания под контролем термоядерной реакции используется и в ныне строящемся международном реакторе ИТЕР (ITER). Однако атомный гений И.В. Курчатов уже тогда сумел осознать, насколько сложную задачу поставили перед собой физики, и в 1956 г., во время посещения британского ядерного центра «Харуэлл», презрев завесу секретности, призвал к международному сотрудничеству в решении этой научной проблемы.

Постепенно размеры и сложность исследовательских установок росли: в 1962 г. была запущена более мощная установка Т-3, по итогам работы которой направление токамаков было признано мировым сообществом как наиболее перспективный способ получения чистой устойчивой плазмы, и подобные установки начали строиться во многих странах. Всего было построено порядка 300 токамаков, самые крупные из них – в СССР, США, Великобритании и странах Европы, Японии, Китае и Ливии.

К 1980-м годам сменилось уже три поколения токамаков, и мировое сообщество пришло к выводу, что без международной кооперации обойтись не удастся. СССР, США, Европа и Япония приступили к эскизному проектированию токамака четвертого поколения (международный проект ИНТОР). В ходе работ были уточнены критерии задачи, и в 1986–1988 гг. М.С. Горбачев, Р. Рейган и Ф. Миттеран договорились о создании проекта экспериментального реактора ИТЕР (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). Технический проект был готов в 1997 г., однако реактор получался по тем временам слишком дорогим (8 млрд. долларов), и работы над проектом продолжились с целью уменьшения стоимости.

Для сооружения объекта был выбран большой известняковый карьер на юге Франции, недалеко от исследовательского центра ядерной энергетики Кадараш. Строительство началось в 2006 г. В настоящее время в проекте ИТЭР участвуют Россия, Евросоюз, США, Китай, Япония, Индия и Южная Корея. 90% затрат страны вкладывают в натуральной форме – изготовленным оборудованием, и лишь 10% финансами, которые расходуются на зарплату персоналу и отдельные закупки. Но даже столь мощная кооперация мировых гигантов не позволяет избежать проблем: стоимость сооружения достигла €15 млрд, более чем втрое превысив изначально заявленную сумму, а срок пуска реактора отодвинулся на 2020 г.

 

Центральный соленоид

 

Принципы реакции

Чтобы понять проблемы, которые вот уже более полувека пытаются преодолеть создатели реактора, начнем с основных принципов термоядерного синтеза.

В отличие от применяемой на АЭС ядерной реакции деления, в термоядерном синтезе идет обратный процесс: формирование более тяжелых ядер путем слияния более легких, также с выделением энергии. Но ядра элементов несут электрический заряд, поэтому их сближению препятствуют кулоновские силы отталкивания. Чтобы преодолеть их, нужно либо сжать вещество гигантским давлением, либо разогнать ядра до огромных скоростей путем нагрева до десятков или даже сотен миллионов градусов Цельсия, при которых исходное вещество переходит в состояние плазмы. Кстати, природные «термоядерные реакторы» мы наблюдаем в космосе – это звезды. Чтобы облегчить получение плазмы в земных условиях, берут элементы с ядром, имеющим минимальный электрический заряд. Это, как правило, изотопы водорода – дейтерий и тритий, а также гелий-3.

 

Опоры сейсмической изоляции для токамака

 

Смесь изотопов дейтерия и трития требует наименьших затрат энергии на получение реакции (при том, что затраты эти все равно колоссальны). Эти изотопы легче добыть: в морской воде на 7000 атомов обычного водорода приходится один атом дейтерия (это наследие «Большого взрыва», породившего Вселенную), а тритий можно нарабатывать в обычных ядерных реакторах деления из широко распространенного в природе изотопа лития. Кроме того, тритий может нарабатывать и сам термоядерный реактор, путем обкладки тем же литием внутренних стенок (бланкета) – правда, наработанный тритий нужно будет оттуда как-то доставать.

Дейтерий-тритиевая реакция – то, что сегодня достижимо для человечества, однако у нее есть серьезные недостатки. В такой реакции образуется мощный нейтронный поток, который уносит впустую огромную долю энергии, получаемой в реакции синтеза, а также создает наведенную радиоактивность в конструкционных элементах реактора.

Особый интерес вызывают другие элементы, способные давать «безнейтронные» реакции: например, изотоп гелия-3. Однако пока это недостижимая мечта. Гелий-3 чрезвычайно дорог. Его запасы в атмосфере Земли оцениваются всего в 50 тыс. т. В большом количестве этот изотоп есть на Луне: по разным оценкам, от 0,5 до 10 млн т. Однако для его добычи и доставки нужно создать на спутнике нашей планеты промышленные базы и наладить грузовое космическое сообщение, что тоже недешево. Но главная проблема не в этом. Реакция с использованием гелия-3 гораздо сложнее управляется, а оптимальная температура должна достигать порядка миллиарда градусов Кельвина (дейтерий-тритиевая реакция идет при «ничтожных» 100–150 млн К).

Всего в мире существует 104 концепции установок термоядерного синтеза. Некоторые из них очень близки: например, советский токамак (тороид) и американский стелларатор (спиральная труба, свернутая в кольцо). Однако основными считаются два принципа получения управляемого термоядерного синтеза. Первый – квазистационарный: нагрев и удержание плазмы осуществляется в мощном магнитном поле. На таком принципе работают токамаки и стеллараторы, а также строящийся реактор ИТЭР. Второй принцип – импульсный: кратковременный сверхмощный нагрев вещества лазерными лучами или пучками частиц высоких энергий, приводящий к последовательным термоядерным микровзрывам. Такой способ пытаются освоить в США специалисты Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса на «Национальной зажигательной установке» (NIF) в Калифорнии. В ангаре площадью больше двух футбольных полей содержится шарообразная 10-метровая камера, в центре которой – шарик диаметром всего 2 миллиметра, содержащий 150 микрограммов смеси дейтерия и трития. 192 лазерных луча, потребляющие чудовищную энергию, создают в шарике давление в 100 млрд атмосфер и температуру в 100 млн К, и происходит термоядерный микровзрыв. Проект обошелся в $3 млрд, но удержать такую реакцию дольше микросекунд так и не удается. Поэтому весь мир идет по первому пути, проторенному советскими токамаками: удержание плазмы в магнитном поле.

 

Так будет выглядеть ITER в 2020 г. Инновационный дизайн штаб-квартиры был задуман местными архитекторами Риччиотти и Боном

 

Проблемы технологии

В токамаках (к которым относится и ИТЭР) магнитное поле удерживает плазму от соприкосновения со стенками камеры. Потому что ни одно вещество не способно выдержать прикосновение раскаленной плазмы (хотя для облицовки стенок и применяют бериллий, довольно ядовитый, но жаропрочный). К тому же и сама плазма от такого соприкосновения мгновенно остынет и исчезнет.

Для удержания плазмы в магнитном поле требуются сверхмощные электромагниты,  потребляющие гигантское количество энергии. Чтобы уменьшить энергозатраты, в магнитах используют принцип сверхпроводимости. Так и соседствуют рядом плазма, разогретая до 100 млн К, и электромагнит, охлаждаемый до -269 ºС (всего 4 К – т. е. практически минимальный предел температуры во Вселенной, при котором прекращается движение частиц).

Плазменный жгутик, расположившийся посередине «бублика» камеры реактора, неравномерен по толщине: он то и дело норовит утончиться и порваться. Чтобы поддержать его стабильность, нужен еще один мощный магнит, формирующий полоидальное поле вокруг вертикальной оси камеры. Его составляют полоидальные катушки, которые в реакторе ИТЭР, например, имеют исполинские размеры: шириной по 25 м, весом по 400 т каждая.

 

Первое тестирование элементов токамака, контактирующих с плазмой, началось в НИЭФА им. Ефремова в октябре 2012 г. на полномасштабном прототипе дивертора.

 

Другая проблема – преодоление предела Гринвальда: при достижении определенных параметров в плазме начинают образовываться микроскопические пузырьки, которые, объединяясь и укрупняясь, охлаждают плазму и не позволяют достичь нужной температуры и плотности.

Среди прочих проблем – подбор конструкционных материалов, способных выдержать сокрушительную нейтронную «бомбардировку» дейтерий-тритиевой реакции (гораздо более интенсивную, чем в ядерных реакторах деления на АЭС); плохая приспособленность сверхпроводников, из которых изготавливаются магниты, к работе в сильных электромагнитных полях (они разрушаются быстрее, чем предусматривал проект); и т. д.

Еще одна сложность: в отличие от лабораторных установок, невозможно сделать термоядерный реактор малой мощности, поскольку в нем не удастся создать условия для формирования и удержания плазмы. Реактор должен быть сразу большим и мощным, а значит – дорогостоящим. Поэтому и пришлось объединять международные усилия в создании ИТЭР: никому в одиночку это сегодня не по карману.

Ну и, конечно, самая важная проблема – критерий Лоусона: будет ли реакция давать больше энергии, чем тратится на саму реакцию. Это зависит от температуры, плотности и времени удержания плазмы.

 

Образцы российских катушек из бронзовых нитей для генерации тороидального поля успешно испытаны в Centre de Recherches en Physique des Plasmas, Федеральная политехническая школа Лозанны

 

В начале пути

Аббревиатура реактора ITER на латинском языке означает «путь». И это символично: несмотря на полувековые исследования, путь человечества к термоядерной энергетике еще только начинается.

Любая технология от зарождения научной идеи до получения рентабельных промышленных результатов проходит четыре стадии.

На первой ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки, завершающиеся созданием демонстрационного образца. Он открывает «дорогу жизни» новой технологии, но в экономическом плане ничего из себя не представляет. Это всего лишь модель, которая должна продемонстрировать в принципе возможность существования такой технологии.

Следующая стадия – создание опытно-промышленного образца, цель которого – наработка опыта эксплуатации, доводка технологии. Опытно-промышленный образец уже способен что-либо производить в промышленных масштабах, однако по экономическим показателям проигрывает конкурентам. Но он и не должен быть конкурентоспособным, его задача – отладить новую технологию для массового применения.

Третий этап – создание головного коммерческого прототипа. Технологические вопросы решены, остается довести до конкурентоспособного уровня экономические параметры, минимизировать производственные расходы.

На четвертой стадии начинается серийное изготовление объектов новой технологии, экономически рентабельных и способных побороться с конкурентами.

Если применять эту градацию к термоядерным реакторам, то человечество все еще находится на первой стадии – и даже не в середине ее, а лишь на начальном этапе.

Овладение термоядерным синтезом как технологией состоит из трех ступеней. Первая – достижение «равновесия» или «перевала»: энергия, выделяемая в процессе синтеза, равна энергии, затрачиваемой на поддержание реакции. На этом этапе мы сегодня и находимся: равновесие достигнуто лишь на некоторых лабораторных установках (наилучшие достигнутые показатели – превышение выработки над потреблением всего на 2%). А на более крупных – например, самом мощном токамаке в Великобритании – энергии по-прежнему выделяется меньше, чем тратится, да и горение плазмы удается поддержать не более 15 секунд.

Вторая ступень – когда реакция начнет поддерживаться благодаря альфа-частицам, образующимся в процессе самой реакции, а не за счет внешнего подогрева.

Третья ступень – стабильная самоподдерживающаяся реакция, выделяющая больше энергии, чем потребляет.

Только после прохождения этих трех ступеней (а человечество находится на первой) можно будет считать завершенным первый этап (НИОКР) и переходить ко второму – опытно-промышленному. Третий же и четвертый (коммерчески эффективная и конкурентоспособная термоядерная электростанция) пока не видны даже на горизонте.

 

Загрузка катушек с 737-метровым проводником на борт судна в Китае

 

Впрочем, разработчики ИТЭР это прекрасно понимают. И сроки для себя установили соответствующие.

В 2020 г. планируется пуск ИТЭР. По оптимистичным прогнозам, до 2027 г. будут завершены все эксперименты, и удастся получить энергию, превышающую энергозатраты самого реактора. Планируется, что удастся удерживать дейтерий-тритиевую плазму хотя бы до 400 секунд, получая при этом тепловую мощность в 500 МВт при затрачиваемых на поддержание плазмы 50 МВт электрической мощности. Конечно, такой импульсный режим еще далек от энергетически приемлемого, а полученная тепловая мощность не означает, что хотя бы половина ее сможет в перспективе преобразоваться в вырабатываемую электроэнергию (КПД тепловых установок еще никто не отменял). Но это будет первый успех: реактор из исследовательской стадии перейдет в разряд демонстрационных установок. К 2037 г. планируется завершить экспериментальный этап, и реактор к 2040 г. постепенно должен перейти в разряд опытно-промышленных. То есть, человечество пройдет вторую стадию освоения технологии. По оценкам специалистов, термоядерный реактор можно считать промышленно значимым, если количество производимой им энергии отличается от энергозатрат на поддержание реакции хотя бы в 30 раз. Далее – создание головного коммерчески эффективного образца и его доводка до серийного применения, но об этих стадиях сегодня еще не задумываются: слишком далеки они, и слишком много проблем предстоит решить до выхода к ним.

Итак, по самым оптимистическим прогнозам получается, что серийную коммерческую термоядерную электростанцию человечество получит не ранее 2050 года. Но скорее всего, гораздо позднее, поскольку оптимистические прогнозы редко сбываются.

 

Главный ангар проекта NIF: по этим трубам лазерные лучи сходятся в одну точку

 

Вклад России

Вклад в создание ИТЭР Россия внесла уже самим принципом токамака, разработанным советскими учеными. Кроме того, Россия в международном проекте отвечает за изготовление порядка 20 систем для будущего реактора. Таким образом, целый ряд наших исследовательских центров и промышленных предприятий получает оговоренное международными соглашениями бюджетное финансирование, позволяющее осваивать новые технологии и модернизировать производство. Поэтому, вне зависимости от успеха или неуспеха сооружения и освоения ИТЭР, принцип «не догоню – так согреюсь» уже сегодня приносит полезные плоды.

Так, например, Чепецкий механический завод благодаря участию в проекте ИТЭР создал и освоил систему изготовления низкотемпературных сверхпроводников: вне зависимости от ИТЭР, технология будет использоваться на благо России. Санкт-Петербургский НИЭФА им. Ефремова сформировал уникальные магнитные системы. НИЦ «Курчатовский институт» разработал диагностику спектрометрии водородных линий, Физико-технический институт им. Иоффе – спектрометрию вылетающих из плазмы атомов перезарядки, а проектный центр ИТЭР совместно с ГНЦ РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований» (ТРИНИТИ) и ВНИИ технической физики и автоматики –  системы нейтронной диагностики горения плазмы. Подольский институт кабельной промышленности изготавливает 760-метровые кабельные скрутки из ниобий-оловянного сплава для магнитных катушек (сами катушки будут изготовлены в Италии). Под проект ИТЭР загружены работой и получают финансирование НИКИЭТ им. Доллежаля, Институт прикладной физики РАН и многие другие организации научно-промышленного профиля. «Кончится ИТЭР – а в России останутся новые высокотехнологичные производства», - резюмировал заместитель гендиректора Росатома Вячеслав Першуков, подводя итоги 2012 г. по участию в международном проекте [Но прекращения проекта, надеемся, не произойдет. – Прим ред.]. Директор «ИТЭР-Центра» Анатолий Красильников отметил четкую работу российской стороны по взятым на себя обязательствам.

 

ITER – самый большой токамак в мире

 

Доживем до послезавтра

Возможно, термоядерный синтез покорится лишь в конце ХХI века – если говорить о коммерчески эффективном серийном внедрении термоядерных электростанций. Да и в этом случае, например, исследователи, производившие анализ по заказу Бюро науки и техники британского парламента, оценили себестоимость производства электроэнергии на принципе термоядерного синтеза «в верхней части спектра стоимости традиционных источников энергии». Впрочем, когда традиционные источники энергии – нефть, газ, уголь – подойдут к концу, это будет уже не столь важно. А этот порог приближается: по оценкам Геологической службы США, потребление угля в мире возрастает ежегодно на 4,5%, а рост мировой добычи нефти способен продержаться не более 20 лет. Так что отдаленные прогнозы окончания эпохи ископаемого углеводородного топлива, сделанные на основе уровня текущего потребления человечеством, начинают неотвратимо сокращаться. Не следует забывать и о парниковых газах, влияющих на климат планеты.

К несомненным плюсам управляемого термоядерного синтеза следует отнести неограниченные запасы топлива и невозможность монополизации его добычи (если иметь в виду дейтерий и тритий), безопасность в аварийных ситуациях (охладившаяся плазма просто исчезает). Немаловажно и существенно меньшее радиоактивное загрязнение конструкций и ничтожно малое количество радиоактивных отходов (при полном отсутствии долгоживущих изотопов), соответствие критерию нераспространения ядерно-оружейных материалов.

К минусам – множество пока еще не решенных научных и инженерных проблем. А также концептуальные проблемы с топливом (дейтерий-тритиевая реакция заведомо неэффективна, а до освоения безнейтронной реакции на гелии-3 и в переносном, и в прямом смысле далеко как до Луны), неясность в рентабельности производства электроэнергии, невозможность создания термоядерной электростанции малой мощности, проблемы с поддержанием стабильности производства электроэнергии заданного уровня мощности и частоты.

По причине весьма отдаленного будущего в освоении термоядерной электроэнергетики, ученые ряда стран независимо друг от друга выступили с новой концепцией создания гибридной ядерной электростанции, в которой термоядерная реакция используется для улучшения производительности обычного ядерного реактора. Как считает академик Е.П. Велихов, нейтроны от термоядерной реакции будут способствовать улучшению совместного цикла деления и синтеза, и создать такую электростанцию даже проще и быстрее, нежели на «чистом» термояде. В России проект гибридной ядерной электростанции находится на предварительной стадии анализа концепции.

Управляемый термоядерный синтез – очень нужная для землян технология. И человечество совместными усилиями развитых стран в конце концов добьется успеха.

 

Руслан Новорефтов

На первой фото: фундамент токамака

Фото iter.org и National Ignition Facility

Читайте также: