До сих пор большинство систем термоядерного синтеза использовали устройство для управления плазмой под названием «токамак», изобретенный в 1950-х года физиками Советского Союза. Токамак использует магнитное поле для удержания плазмы в форме тора, или кольца, и поддерживает реакцию индукции тока в самой плазме с помощью второго набора электромагнитов. Проблема такого подхода в том, что вырабатывается энергия почти в таком же количестве, которое необходимо для самоподдерживающейся реакции синтеза.
Усовершенствованная версия термоядерного реактора, Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER, ИТЭР), строится в Кадараше, Франция, и должна будет вырабатывать 500 МВт. Тем не менее плазма не будет генерироваться до конца 2020-х годов, а энергия выработки едва ли будет мощной до конца 2040-х годов.
Проблема токамаков в том, что «они могут удержать только определенное количество плазмы, и мы называем это бета-пределом», говорит Макгир. Измеряемый как отношение давления плазмы к давлению магнитного поля, бета-предел среднестатистического токамака довольно низкий, или порядка «5% или около того от ограничивающего давления». Сравнивая тор с велосипедной шиной, Макгир добавляет: «Если они сильно ее накачают, шина в конечном счете взорвется - поэтому, в целях соблюдения безопасности, им нельзя подходить близко к этому пределу». Помимо этого, физика токамака диктует огромные размеры и высокую стоимость. ИТЭР обойдется приблизительно в 50 миллиардов долларов и по завершении будет 30 метров в высоту и весом в 23 000 тонн.
CFR сможет обойти эти проблемы, подойдя к конфайнменту плазмы принципиально по-другому. Вместо того чтобы ограничивать плазму внутри трубчатых колец, серия сверхпроводящих катушек будет генерировать геометрически новое магнитное поле, в котором плазма будет удерживаться в более широких рамках по всей камере.
«Таким образом, вместо того чтобы расширять велосипедную шину в воздух, у нас будет что-то вроде трубы, которая наращивает стенки, - говорит Макгир. Система будет своего рода саморегулироваться, используя механизм самоотдачи, чем дальше выходит плазма, тем сильнее магнитное поле будет заталкивать ее обратно, чтобы удержать. CFR, как ожидается, будет обладать бета-пределом, равным одному. - Мы хотим дойти до 100% или больше».
Это важное различие подразумевает, что при таких же размерах CFR будет производить больше энергии, чем токамак, с коэффициентом 10. Это же означает, что при той же выходной мощности CFR может быть в 10 раз меньше. Изменение масштаба очень многое значит с точки зрения производительности и стоимости, объясняет Макгин. «Одна из причин, по которой мы думаем о дальнейшем развитии и экономике концепции, это то, что она будет в десять раз меньше. С точки зрения физики она будет работать и будет намного стабильней». Одна из причин стабильности заключается в размещении сверхпроводящих катушек и форме линий магнитного поля. «В нашем случае всегда будет баланс. Если давление будет меньше, плазма тоже будет меньше и всегда поместится в магнитном поле».
В целом, по словам Макгира, конструкция Lockheed «берет лучшее от многих конструкций». Она включает высокую бета-конфигурацию, использование линий магнитного поля в форме линейного кольца для удержания плазмы и «инженерную простоту осесимметричного зеркала». «Осесимметричное зеркало» создается путем размещения зон магнитного поля на каждом конце камеры, так что они будут отражать значительную часть частиц плазмы, вылетающих вдоль оси CFR.
«Также у нас есть рециркуляция, очень похожая на концепцию Polywell», - добавляет Макгир, ссылаясь на другой перспективный проект термоядерного реактора. Реактор Polywell использует электромагниты для генерации магнитного поля, которое улавливает электроны, создавая отрицательное напряжение, которое затем притягивает положительные ионы. Ускорение ионов по направлению к отрицательному центру приводит к столкновению и синтезу.
Команда признает, что проект находится в ранней стадии развития, и остается много ключевых проблем, прежде чем он станет жизнеспособным. Но Макгир ожидает быстрого прогресса. Настроение в Skunk Works и «темп, в котором работают люди, очень быстрый». «Мы хотели бы заполучить прототип в пять поколений. Если мы сможем выполнить каждый план, поставленный на каждый грядущий год, то через пять лет он будет готов. Мы уже показали, на что способны, в лаборатории». Прототип демонстрирует условия зажигания и работы в течение 10 секунд в стабильном состоянии после активации инжекторов, которые зажигают плазму. «Это демонстрирует работу физики, а не прототипа в полную силу».
Первая рабочая версия может появиться уже через пять лет. На нее будет затрачено много усилий, говорит Макгир, имея в виду, что переход к полномасштабному производству обязательно потребует привлечения специалистов по материалам и теплопередаче, а также создателей газовых турбин. Первые реакторы будут производить порядка 100 МВт и умещаться в транспортабельных узлах 7 на 15 метров. «Мы думаем как раз о таких размерах. Вы можете разместить его на небольшом трейлере, подобно небольшой газовой турбине, перевезти на платформе, работать по несколько недель», - говорит Макгир. Идея концепта в том, чтобы адаптировать CFR к существующей инфраструктуре и с легкостью вписать его в современную сеть. 100-мегаваттный реактор мог бы обеспечить энергией 80 000 домов, и этого было бы достаточно, чтобы запустить корабль.
По оценкам Lockheed, для года работы потребуется меньше 25 килограммов топлива. Само топливо — тоже в изобилии. Дейтерий получают из морской воды, он, следовательно, не ограничен, а тритий «выводят» из лития. «Мы уже добыли достаточно лития, чтобы оснастить всемирный флот реакторов, и это отчасти влияет на безопасность. Тритий мог бы представлять угрозу для здоровья, если бы произошла крупная утечка трития, но в небольших количествах он безвреден. Вам нужно не так много, чтобы запустить реактор, потому что реакция синтеза в миллион раз мощнее химической реакции».
Хотя реакторы первого поколения будут обладать радиоактивными частями к концу срока эксплуатации вроде некоторых стальных элементов в оболочке, Макгир говорит, что ситуация с загрязнением будет «на порядок лучше, чем у современной системы ядерного деления». Не будет долгоживущей радиации. Материалы реакторов будут практически вечными, но синтез может продолжаться и в течение 100 лет. К тому же уровень загрязнения будет падать с каждой новой итерацией и дополнительным исследованием материалов. Впрочем, пока не будет хорошей системы синтеза, не будет денег на мощные исследования. Поэтому Макгир надеется, что первое поколение реакторов будет достаточно хорошим, чтобы привлечь внимание. Старые стальные оболочки CFR можно будет утилизировать простым захоронением в пустыне, подобно тому, как поступают с медицинскими отходами. Но это будет разительно отличаться от ядерных отходов, .
Операционные преимущества такого реактора включают отсутствие рисков возгорания или утечки. «В реакторе минимальное количество радиоактивного трития - измеряется в граммах - поэтому потенциальная утечка будет минимальной. Кроме того, нет никаких рисков распространения радиоактивного топлива. Тритий используется в ядерном оружии, но в значительно больших объемах.
Предварительные расчеты и экспериментальные результаты «были очень перспективными и положительными», говорит Макгир. Однако «нам нужна помощь, и мы хотели бы увидеть других людей вовлеченными в наше предприятие. Это глобальное предприятие, и мы рады возглавить его».
Термоядерная электростанция.
В настоящее время ученые работают над созданием а Термоядерной электростанции, преимуществом которых является обеспечение человечества электроэнергией на неограниченное время. Термоядерная электростанция работает на основе термоядерного синтеза — реакции синтеза тяжелых изотопов водорода с образованием гелия и выделением энергии. Реакция термоядерного синтеза не дает газообразных и жидких радиоактивных отходов, не нарабатывает плутоний, который используется для производства ядерного оружия. Если еще учесть, что горючим для термоядерных станций будет тяжелый изотоп водорода дейтерий, который получают из простой воды — в полулитре воды заключена энергия синтеза, эквивалентная той, что получится при сжигании бочки бензина, — то преимущества электростанций, основанных на термоядерной реакции, становятся очевидными.
В ходе термоядерной реакции энергия выделяется при соединении легких атомов и превращении их в более тяжелые. Чтобы этого добиться, необходимо разогреть газ до температуры свыше 100 миллионов градусов - намного выше температуры в центре Солнца.
Газ при такой температуре превращается в плазму. Атомы изотопов водорода при этом сливаются, превращаясь в атомы гелия и нейтроны и выделяя большое количество энергии. Коммерческая электростанция, работающая на этом принципе, использовала бы энергию нейтронов, замедляемых слоем плотного вещества (лития).
По сравнению с атомной электростанцией термоядерный реактор будет оставлять после себя гораздо менее радиоактивные отходы.
Интернациональный термоядерный реактор ИТЭР
Участники международного консорциума по созданию первого в мире термоядерного реактора ИТЕР подписали в Брюсселе соглашение, дающее старт практической реализации проекта.
Представители Европейского союза, США, Японии, Китая, Южной Кореи и России намерены начать строительство экспериментального реактора в 2007 году и закончить его в течение восьми лет. Если все пройдет согласно плану, то к 2040 году может быть построена демонстрационная электростанция, работающая по новому принципу.
Хочется верить, что эра экологически опасных ГЭС и АЭС скоро закончится, и наступит время новой электростанции — термоядерной, проект которой уже осуществляется. Но, несмотря на то, что проект ИТЭР (Интернациональный термоядерный реактор) уже почти готов; несмотря на то, что уже на первых действующих экспериментальных термоядерных реакторах получена мощность, превышающая 10 МВт — уровень первых атомных электростанций, первая термоядерная электростанция заработает не ранее, чем лет через двадцать, потому что ее стоимость очень велика. Стоимость работ оценивается в 10 млрд. евро - это самый дорогой международный проект электростанции. Половину затрат по возведению реактора берет на себя Евросоюз. Другие участники консорциума выделят по 10% сметы.
Теперь план возведения реактора, которое станет самым дорогим совместным научным проектом после, должны ратифицировать парламентарии стран-участниц консорциума.
Реактор будет построен в южной французской провинции Прованс, в окрестностях города Кадараш, где находится французский центр ядерных исследований.
Руководство компании Lockheed Martin заявило, что в феврале 2018 года получило патент на компактный термоядерный реактор. Эксперты называют это невозможным, хотя по мнению The War Zone «не исключено, что в ближайшее время американская корпорация выступит с официальным заявлением». Репортер FlightGlobal Стивен Тримбл в своем твиттере сообщил, что «новый патент инженера Skunk Works показывает дизайн компактного термоядерного реактора с чертежом F-16 в качестве потенциального приложения. В Палмдейле ведется испытание прототипа реактора». По данным издания, «то, что Skunk Works продолжали заниматься патентным процессом в течение последних четырех лет, похоже, также указывает на то, что они действительно продвинулись в реализации программы, по крайней мере, в некоторой степени». Авторы материала отмечают, что четыре года назад разработчики проекта обнародовали базовые сведения об основном дизайне реактора, проектном графике и общих целях программы, что свидетельствует о серьезной работе. Напомним, предварительную заявку на патент «Инкапсулирующие магнитные поля для удержания плазмы» Lockheed Martin подала 4 апреля 2013 года. При этом официальная заявка в Бюро по регистрации патентов и торговых марок США поступила 2 апреля 2014 года. В Lockheed Martin заявили, что патент получен 15 февраля 2018 года. В свое время руководитель проекта Compact Fusion Томас Макгуайр заявил, что опытная установка будет создана в 2014 году, прототип - в 2019 году, а рабочий образец - в 2024 году. Компания на своем сайте сообщает, что термоядерный реактор, над созданием которого работают ее специалисты, может использоваться для обеспечения энергией авианосца, истребителя или небольшого города. В октябре 2014 года в корпорации заявили, что предварительные результаты исследований свидетельствуют о возможности создания реакторов, работающих на слиянии легких ядер, мощностью около 100 мегаватт и размерами, сравнимыми с грузовиком (что примерно в десять раз меньше существующих моделей). По сути, речь идет о заявке на открытие века - безопасного в плане радиации реактора, способного обеспечить энергией что угодно. Со своей стороны, российские ученые, занимающиеся исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза, назвали сообщение Lockheed Martin ненаучным заявлением, направленным на привлечение внимания широкой публики. Тем не менее в Twitter появилось фото компактного термоядерного реактора, как предполагается, создаваемого американской корпорацией Lockheed Martin. «Этого не может быть. Дело в том, что то, что понимают под термоядерным реактором, с физической точки зрения очень хорошо известно. Если звучит «гелий 3? - сразу надо понимать, что это обман. Это характерный признак таких квазиоткрытий - где одна строчка «как это сделать, как реализовать» и десять страниц о том, как после будет хорошо. Это очень характерный признак - вот, мы изобрели холодный термоядерный синтез, и дальше, как его реализовать не говорят, а дальше только десять страниц, как это будет здорово»,- рассказал Pravda.ru заместитель директора лаборатории ядерных реакций им. Флерова ОИЯИ в Дубне Андрей Папеко. «Основной вопрос, как возбудить термоядерную реакцию, чем нагреть, чем удерживать - это тоже, в общем, вопрос, который не решен сейчас. И даже, скажем, лазерные термоядерные установки, нормальная термоядерная реакция там не зажигается. И ни в каком обозримом будущем, увы, пока решения не видно»,- пояснил физик-ядерщик. «России довольно широко ведутся исследования, это понятно, это во всей открытой печати опубликовано, то есть, нужно изучать условия нагревания материалов для термоядерной реакции. В общем, это смесь с дейтерием - фантастики никакой нет, эта физика вся очень хорошо известна. Как нагреть, как удержать, как снять энергию, если вы зажигаете очень горячую плазму, она съест стенки реактора, она их расплавит. В больших установках - там можно магнитными полями удерживать, фокусировать в центре камеры, чтобы не расплавляло стенки реактора. А в маленьких установках просто не получится, расплавится, сгорит. То есть, это, по-моему, очень преждевременные утверждения»,- заключил он.
Когда атом расщепляется на две части, либо путем естественного распада, либо при возбуждении он высвобождает энергию. Этот процесс известен как ядерное деление обладающее большим потенциалом и такого типа сейчас в мире относительно велико. Ядерное деление или распад с выделением энергии имеет ряд связанных проблем в области безопасности, охраны окружающей среды и политики, которые могут препятствовать использованию атомной энергии. Существует и термоядерная энергия выделяемая при помощи синтеза.
Термоядерный синтез – процесс соединения в реакторе легких ядер в большие с помощью теплового метода с положительным выходом энергии.
Определение деления
Атом содержит протоны и нейтроны в своем центральном ядре. При делении ядро расщепляется либо путем радиоактивного распада, либо из-за того, что оно подверглось бомбардировке другими субатомными частицами, известными как нейтрино. Полученные части имеют меньшую комбинированную массу, чем исходное ядро, при этом недостающая масса превращается в ядерную энергию. Контролируемое деление происходит, когда очень легкий нейтрино бомбардирует ядро атома, разбивая его на два меньших, похожих по размеру ядра. Разрушение высвобождает значительное количество энергии - в 200 раз больше энергии нейтронов, которые начали процедуру - а также высвобождает по крайней мере еще два нейтрино.
Контролируемые реакции такого рода используются для высвобождения энергии на атомных электростанциях. Неконтролируемые реакции используются в ядерном оружии.
Радиоактивное деление, где центр тяжелого элемента самопроизвольно испускает заряженную частицу, когда распадается на меньшее ядро, происходит только с тяжелыми элементами.
Разделение отличается от процесса слияния, когда два ядра соединяются друг с другом, а не разделяются друг от друга. Слияние под воздействием температуры – термоядерный синтез.
Открытие атомной энергии
В 1938 году немецкие физики Отто Хан и Фриц Штрассман бомбардировали атом урана нейтронами в попытке образовать тяжелые элементы. Но ядро урана распалось на более лёгкие элементы барий и криптон, что значительно меньше, чем уран. Ученые озадачились неожиданными результатами так как открыли расщепление ядра.
Австрийский физик Лиза Мейтнер, бежавшая в Швецию после вторжения Гитлера в ее страну, поняла, что расщепление ядра также освобождает энергию. Работая над этой проблемой, она установила, что деление дает минимум два нейтрона. В конечном счете, другие физики поняли, что каждый вновь освобожденный нейтрон может продолжать вызывать две отдельные реакции, каждая из которых может вызвать по крайней мере еще. Один удар может запустить цепную реакцию, управляя выпуском еще большей энергии.
Энергия и разрушение
В интеллектуальной цепной реакции ученые начали реализовывать возможности, существующие в новом открытии. В письме президенту США Франклину Рузвельту в начале Второй мировой войны, подготовленном венгерским физиком Лео Силардом и подписанном Альбертом Эйнштейном, отмечалось, что такие исследования могли быть использованы для создания бомбы эпических масштабов, и рассматривалась идея о том, что немцы могли достоверно изготовить и использовать такое оружие. Рузвельт выделил деньги на американские исследования и в 1941 году было образовано Управление научных исследований и разработок с целью применения исследований для национальной обороны.
В 1943 году армейская корпорация инженеров взяла на себя исследования по созданию ядерного оружия. Известный как “Манхэттенский проект”, сверхсекретные усилия привели к образованию первой атомной бомбы в июле 1945 года. Атомное оружие было использовано в рамках военного удара по городам Хиросима и Нагасаки в Японии.
С тех пор ядерные исследования считаются чрезвычайно чувствительными в политическом равновесии.
Чаще всего деление используется для генерации энергии на АЭС. Однако процесс создает значительное количество ядерных отходов, которые могут быть опасными для людей и окружающей среды. В то же время люди часто опасаются опасностей, которые могут возникнуть у атомных станций и не хотят, чтобы они находились на их территории. Такие вопросы означают, что ядерная энергия не столь популярна, как более традиционные методы получения энергии, такие как использование ископаемых видов топлива.
Строительство международного термоядерного реактора
Первый в мире атомный международный термоядерный реактор в настоящее время достиг 50-процентного завершения и по последней информации будет готов к 2025 году. Эта термоядерная электростанция строится на юге Франции. Управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения поэтому привлекаются ученые многих стран.
Когда он заработает в экспериментальном термоядерном реакторе будет циркулировать плазма, что в 10 раз жарче, чем солнце в межзвездном пространстве.
Основная цель заставить атомы водорода генерировать в 10 раз больше энергии к 2030-м годам. В конечном счете термоядерная энергия призвана доказать, что сила слияния может генерироваться в коммерческих масштабах и является устойчивой, обильной, безопасной и чистой.
Концептуальный проект
Термоядерный синтез, та же реакция, которая происходит в центре Солнца, соединяются атомные ядра, чтобы сформировать более тяжелые ядра. Термоядерный синтез генерирует гораздо больше , чем сжигание ископаемого топлива.
Например, в количестве атомов водорода размером с ананас находится столько же энергии, сколько в 10 000 тонн угля, в соответствии с заявлением по проекту международного термоядерного реактора.
В отличие от ядерного деления которое разбивает большие атомы на более мелкие этот термоядерный реактор не будет производить высокий уровень радиоактивных отходов. И в отличие от установок по производству ископаемого топлива, термоядерная энергия слияния не генерирует парниковых газов, углекислого газа или других загрязнителей.
Ядерное деление
В термоядерном реакторе выделяется энергия при синтезе лёгких ядер (водорода, гелия и лития). Чтоб два ядра водорода (на практике – дейтерия и/или трития, то есть изотопов водорода) сошлись на достаточно близкое расстояние, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание одноименно заряженных ядер, необходимо создать либо огромное давление, либо крайне высокую температуру.
В термоядерном реакторе нет ничего самопроизвольного, поэтому он безопаснее. Любое неконтролируемое повреждение и исчезают условия, необходимые для термоядерного синтеза.
Термоядерный синтез
Атомный термоядерный реактор использует сверхпроводящие магниты для плавления атомов водорода и получения большого количества тепла. Будущие атомные термоядерные электростанции могут затем использовать эту теплоту для привода турбин и выработки электроэнергии.
Экспериментальный реактор не будет использовать обычные атомы водорода, ядра которых состоят из одного протона. Вместо этого он будет взрывать дейтерий, ядра которого имеют один протон и один нейтрон, с тритием, ядра которых имеют один протон и два нейтрона. Дейтерий легко извлекается из морской воды, а тритий будет сгенерирован внутри термоядерного реактора. Поставки этих видов топлива достаточно велики, достаточно на миллионы лет при нынешнем глобальном потреблении энергии.
И в отличие от реакторов деления, термоядерное синтезирование является очень безопасным: если реакции термоядерного синтеза нарушаются в пределах завода по термоядерному синтезу, термоядерные реакторы просто отключаются безопасно и без необходимости внешней помощи, отметил проект ITER. Теоретически, плавильные установки также используют только несколько граммов топлива одновременно, поэтому нет возможности аварии расплава.
Проблема управляемых термоядерных реакций
Хотя энергия слияния имеет много потенциальных преимуществ, она оказалась чрезвычайно трудной для достижения на Земле. Атомные ядра требуют огромного количества тепла и давления, прежде чем они объединятся.
Чтобы преодолеть эту огромную проблему необходимо нагревать водород примерно до 150 миллионов градусов по Цельсию что, в 10 раз жарче, чем ядро Солнца. Эта перегретая плазма водорода будет ограничена и распространяется внутри в форме под названием токамак, который находится в окружении гигантских сверхпроводящих магнитов, которые управляют электрически заряженной плазмой. Для того, чтобы сверхпроводящие магниты функционировали, их необходимо охлаждать до минус 269 градусов C, также холодно как и в межзвездном пространстве.
Промышленные объекты по всему миру производят 10 миллионов комплектующих для реактора. Реактор часто упоминается как самое сложное инженерное сооружение. Например, магниты высотой более 17 метров должны быть установлены вместе с погрешностью менее 1 миллиметра.
Охлаждение 10 000 тонн сверхпроводящего материала магнита до минус 269 градусов беспрецедентно по масштабу.
ИТЭР международный термоядерный экспериментальный реактор
Научное партнерство из 35 стран строит ИТЭР на юге Франции. Все члены разделяют технологии и они получают равный доступ к интеллектуальной собственности и инновациям которые применяются.
Идея научного партнерства по строительству термоядерного завода была впервые задумана на Женевском саммите 1985 года между Рональдом Рейганом и Михаилом Горбачевым. Проект ИТЭР начался в 2007 году, и изначально должен быть завершиться в 10 лет за 5,6 миллиарда долларов. Однако проект более десяти лет отстает от графика, и его сметная стоимость взлетела примерно до 22 миллиардов долларов.
Риски ИТЭР
В настоящее время ИТЭР находится на полпути к своей первоначальной цели циркуляции плазмы.
Разработчики постоянно работают над прогнозированием и смягчением рисков, которые могут привести к дополнительным задержкам или затратам.
Конечной целью, конечно, является не просто циркулирующая плазма, но и плавление дейтерия и трития для создания “горящей” плазмы, которая генерирует значительно больше энергии, чем поступает в нее. Токамак ИТЭР должен генерировать 500 мегаватт электроэнергии, в то время как коммерческие термоядерные установки будут размещать более крупные реакторы, чтобы генерировать от 10 до 15 раз больше энергии. Согласно планам, 2000-мегаваттный термоядерный завод поставит 2 миллиона домов электричеством..
Если проект окажется успешным, ученые ИТЭР предсказывают, что термоядерные электростанции могут начать выходить в эксплуатацию уже к 2040 году по производству 2 гигаватт и более. Капитальные затраты на строительство АЭС должны быть аналогичны капитальным затратам нынешних АЭС ― около 5 миллиардов долларов за гигаватт. В то же время термоядерные электростанции просто используют дейтерий и тритий, и поэтому избегают “затрат на добычу и обогащение урана, или затрат на уход за радиоактивными отходами и их утилизацию.
Строительство атомной станции синтеза стоит больше, чем строительство станции ископаемого топлива. Цены на ископаемое топливо очень высоки, а расходы на топливо для синтеза незначительны, так что в течение срока службы электростанции расходы будут незначительны.
В то же время ископаемое топливо обходится дорого не только из-за финансовых значений. Огромные затраты на ископаемое топливо связаны с воздействием на окружающую среду, будь то из-за добычи полезных ископаемых, загрязнения окружающей среды или выброса парниковых газов. Синтез углерода – бесплатен.
С чего все это началось. «Энергетический вызов» возник в результате сочетания трех следующих факторов:
1. Человечество сейчас потребляет огромное количество энергии.
В настоящее время потребление энергии в мире составляет около 15,7 тераватт (ТВт). Разделив эту величину на население планеты, мы получим примерно 2400 ватт на человека, что можно легко оценить и представить. Потребляемая каждым жителем Земли (включая детей) энергия соответствует круглосуточной работе 24 стоваттных электрических ламп. Однако потребление этой энергии по планете является очень неравномерным, так как оно очень велико в нескольких странах и ничтожно в других. Потребление (в пересчете на одного человека) равно 10,3 кВт в США (одно из рекордных значений), 6,3 кВт в Российской Федерации, 5,1 кВт в Великобритании и т. д., но, с другой стороны, оно равно лишь 0,21 кВт в Бангладеше (всего 2% от уровня энергопотребления в США!).
2. Мировое потребление энергии драматически возрастает.
По прогнозу Международного агентства по энергетике (2006 год) мировое потребление энергии к 2030 году должно увеличиться на 50%. Развитые страны, конечно, могли бы прекрасно обойтись без дополнительной энергии, однако этот рост необходим для того, чтобы избавить от нищеты население развивающихся стран, где 1,5 миллиарда человек испытывают острую нехватку электрической энергии.
3. В настоящее время 80% потребляемой миром энергии создается за счет сжигания ископаемых природных топлив
(нефть, уголь и газ), использование которых:
а) потенциально несет опасность катастрофических экологических изменений;
б) неизбежно должно когда-нибудь закончиться.
Из сказанного ясно, что уже сейчас мы должны готовиться к окончанию эпохи использования ископаемых типов горючего
В настоящее время на атомных электростанциях в широких масштабах получают энергию, выделяющуюся при реакциях деления атомных ядер. Следует всячески поощрять создание и развитие таких станций, однако при этом необходимо учитывать, что запасы одного из важнейших для их работы материала (дешевого урана) также могут быть полностью израсходованы в течение ближайших 50 лет. Возможности основанной на делении ядер энергетики могут (и должны) быть существенно расширены за счет использования более эффективных энергетических циклов, позволяющих почти вдвое увеличить количество получаемой энергии. Для развития энергетики в этом направлении требуется создавать реакторы на тории (так называемые ториевые бридерные реакторы или реакторы-размножители), в которых при реакции возникает больше тория, чем исходного урана, в результате чего общее количество получаемой энергии при заданном количестве вещества возрастает в 40 раз. Перспективным представляется также создание плутониевых бридеров на быстрых нейтронах, которые значительно эффективнее урановых реакторов и позволяют получать в 60 раз больше энергии. Возможно, для развития этих направлений понадобится разработать новые, нестандартные методы получения урана (например, из морской воды, что представляется наиболее доступным).
Термоядерные электростанции
На рисунке представлена принципиальная схема (без соблюдения масштаба) устройства и принципа работы термоядерной электростанции. В центральной части располагается тороидальная (в форме бублика) камера объемом ~2000 м3, заполненная тритий-дейтериевой (T-D) плазмой, нагретой до температуры выше 100 M°C. Образующиеся при реакции синтеза (1) нейтроны покидают «магнитную бутылку» и попадают в показанную на рисунке оболочку с толщиной около 1 м.
Внутри оболочки нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития:
нейтрон + литий → гелий + тритий
Кроме этого в системе происходят и конкурирующие реакции (без образования трития), а также много реакций с выделением дополнительных нейтронов, которые затем также приводят к образованию трития (при этом выделение дополнительных нейтронов может быть существенно усилено, например, за счет введения в оболочку атомов бериллия и свинца). Общий вывод состоит в том, что в этой установке может (по крайней мере, теоретически) происходить реакция ядерного синтеза, при которой будет образовываться тритий. При этом количество образующегося трития должно не только обеспечивать потребности самой установки, но и быть даже несколько большим, что позволит обеспечивать тритием и новые установки. Именно эта концепция работы должна быть проверена и реализована на описываемом ниже реакторе ITER.
Кроме этого нейтроны должны разогревать оболочку в так называемых пилотных установках (в которых будут использоваться относительно «обычные» конструкционные материалы) примерно до температуры 400°C. В дальнейшем предполагается создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000°C, что может быть достигнуто за счет использования новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). Выделяющееся в оболочке тепло, как и в обычных станциях, отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем (содержащим, например, воду или гелий) и передается на вторичный контур, где и производится водяной пар, подающийся на турбины.
1985 год - Советский Союз предложил установку «Токамак» следующего поколения, используя опыт четырех ведущих стран по созданию термоядерных реакторов. Соединенные Штаты Америки совместно с Японией и Европейским сообществом выдвинули предложение по осуществлению проекта.
В настоящее время во Франции идет строительство описываемого ниже международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Tokamak Experimental Reactor), который будет первым токамаком, способным «зажечь» плазму.
В наиболее передовых существующих установках типа токамак давно достигнуты температуры порядка 150 M°C, близкие к значениям, требуемым для работы термоядерной станции, однако реактор ITER должен стать первой крупномасштабной энергетической установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. В дальнейшем необходимо будет существенно улучшить параметры ее работы, что потребует, в первую очередь, повышения давления в плазме, так как скорость слияния ядер при заданной температуре пропорциональна квадрату давления. Основная научная проблема при этом связана с тем, что при повышении давления в плазме возникают очень сложные и опасные неустойчивости, то есть нестабильные режимы работы.
Зачем нам это надо?
Основное преимущество ядерного синтеза состоит в том, что в качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество весьма распространенных в природе веществ. Реакция ядерного синтеза в описываемых установках может приводить к выделению огромного количества энергии, в десять миллионов раз превышающего стандартное тепловыделение при обычных химических реакциях (типа сжигания ископаемого топлива). Для сравнения укажем, что количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 гигаВатт (ГВт) составляет 10 000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма смеси D+T.
Дейтерий является устойчивым изотопом водорода; примерно в одной из каждых 3350 молекул обычной воды один из атомов водорода замещен дейтерием (наследие, доставшееся нам от Большого Взрыва). Этот факт позволяет легко организовать достаточно дешевое получение необходимого количества дейтерия из воды. Более сложным является получение трития, который является нестабильным (период полураспада около 12 лет, вследствие чего его содержание в природе ничтожно), однако, как было показано выше, тритий будет возникать прямо внутри термоядерной установки в процессе работы, за счет реакции нейтронов с литием.
Таким образом, исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода. Литий представляет собой обычный металл, широко используемый в бытовых приборах (в батарейках для мобильных телефонов и т. п.). Описанная выше установка, даже с учетом неидеальной эффективности, сможет производить 200 000 кВт/час электрической энергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарейке для компьютера, а количество дейтерия — в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчете на одного человека) в странах ЕС за 30 лет. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без выбросов CO2 и без малейшего загрязнения атмосферы), является достаточно серьезным аргументом для быстрейшего и энергичного развития термоядерной энергетики (несмотря на все сложности и проблемы) и даже без стопроцентой уверенности в успехе таких исследований.
Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, мы можем добывать его из воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации (в 100 раз превосходящей концентрацию урана), чтобы его добыча была экономически целесообразной.
Экспериментальный термоядерный реактор (International thermonuclear experimental reactor) сооружается вблизи города Кадараш во Франции. Главная задача проекта ИТЭР — осуществление управляемой термоядерной реакции синтеза в промышленных масштабах.
На единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании такого же количества органического топлива, и примерно в сто раз больше, чем при расщеплении ядер урана в реакторах ныне действующих АЭС. Если расчеты ученых и конструкторов оправдаются, это даст человечеству неисчерпаемый источник энергии.
Поэтому ряд стран (Россия, Индия, Китай, Корея, Казахстан, США, Канада, Япония, страны Евросоюза) объединили свои усилия в создании Международного термоядерного исследовательского реактора - прообраза новых энергетических установок.
ИТЭР представляет из себя установку, создающую условия для синтеза атомов водорода и трития (изотопа водорода), в результате чего образуется новый атом - атом гелия. Этот процесс сопровождается громадным выплеском энергии: температура плазмы, в которой идет термоядерная реакция — около 150 млн градусов по Цельсию (для сравнения - температура ядра Солнца 40 млн градусов). При этом изотопы выгорают, практически не оставляя радиоактивных отходов.
Схема участия в международном проекте предусматривает поставки компонентов реактора и финансирование его строительства. В обмен на это каждая из стран-участниц получает полный доступ ко всем технологиям создания термоядерного реактора и к результатам всех экспериментальных работ на этом реакторе, которые послужат основой для проектирования серийных энергетических термоядерных реакторов.
Реактор, основанный на принципе термоядерного синтеза, не имеет радиоактивного излучения и полностью безопасен для окружающей среды. Он может быть расположен практически в любой точке земного шара, а топливом для него служит обычная вода. Строительство ITER должно продлиться около десяти лет, после чего реактор предполагается использовать в течение 20 лет.
Интересы России в Совете Международной организации по строительству термоядерного реактора ИТЭР в ближайшие годы будет представлять член-корреспондент РАН Михаил Ковальчук — директор РНЦ «Курчатовский институт», Института кристаллографии РАН и ученый секретарь президентского Совета по науке, технологиям и образованию. Ковальчук временно заменит на этом посту академика Евгения Велихова, который избран на ближайшие два года председателем международного совета ИТЭР и не имеет права совмещать эту должность с обязанностями официального представителя страны-участника.
Общая стоимость строительства оценивается в 5 миллиардов евро, еще столько же потребуется для опытной эксплуатации реактора. Доли Индии, Китая, Кореи, России, США и Японии составляют приблизительно по 10 процентов от общей стоимости, 45 процентов приходится на страны Европейского союза. Однако пока европейские государства не договорились, как именно расходы будут распределены между ними. Из-за этого начало строительства перенесено на апрель 2010 года. Несмотря на очередную отсрочку, ученые и чиновники, вовлеченные в создание ИТЭР, утверждают, что смогут завершить проект к 2018 году.
Расчетная термоядерная мощность ИТЭР составляет 500 мегаватт. Отдельные детали магнитов достигают веса от 200 до 450 тонн. Для охлаждения ИТЭР потребуется 33 тысячи кубометров воды в день.
В 1998 году США прекратили финансирование своего участия в проекте. После того, как к власти в стране пришли республиканцы, а в Калифорнии начались веерные отключения электроэнергии, администрация Буша объявила об увеличении вложений в энергетику. Участвовать в международном проекте США не намеревались и занимались собственным термоядерным проектом. В начале 2002 года советник президента Буша по технологиям Джон Марбургер III заявил, что США передумали и намерены вернуться в проект.
Проект по числу участников сравним с другим крупнейшим международным научным проектом - Международной космической станции. Стоимость ИТЭР, прежде достигавшая 8 миллиардов долларов, потом составила менее 4 миллиардов. В результате выхода из числа участников Соединенных Штатов было решено уменьшить мощность реактора с 1,5 ГВт до 500 МВт. Соответственно «похудела» и цена проекта.
В июне 2002 года в российской столице прошел симпозиум «Дни ИТЭР в Москве». На нем обсуждались теоретические, практические и организационные проблемы возрождения проекта, удача которого способна изменить судьбу человечества и дать ему новый вид энергии, по эффективности и экономичности сравнимый только с энергией Солнца.
В июле 2010 года представители стран-участниц проекта международного термоядерного реактора ITER утвердили его бюджет и сроки строительства на внеочередной встрече, прошедшей во французском Кадараше. .
На прошедшей внеочередной встрече участники проекта утвердили срок начала первых экспериментов с плазмой — 2019 год. Проведение полноценных опытов запланировано на март 2027 года, хотя руководство проекта попросило технических специалистов попытаться оптимизировать процесс и начать опыты в 2026 году. Участники встречи также определились с затратами на строительство реактора, однако суммы, которые планируется потратить на создание установки, не разглашаются. По информации, полученной редактором портала ScienceNOW из неназванного источника, к моменту начала экспериментов стоимость проекта ITER может составить 16 миллиардов евро.
Прошедшая в Кадараше встреча также стала первым официальным рабочим днем для нового директора проекта, японского физика Осаму Мотодзима (Osamu Motojima). До него проектом с 2005 года руководил японец Канаме Икеда (Kaname Ikeda), который пожелал оставить пост сразу после утверждения бюджета и сроков строительства.
Термоядерный реактор ITER является совместным проектом государств Евросоюза, Швейцарии, Японии, США, России, Южной Кореи, Китая и Индии. Идея создания ITER рассматривается с 80-х годов прошлого века, однако из-за финансовых и технических сложностей стоимость проекта все время растет, а дата начала строительства постоянно откладывается. В 2009 году специалисты рассчитывали, что работы по созданию реактора начнутся в 2010 году. Позже эту дату передвинули, а в качестве времени запуска реактора назывался сначала 2018, а потом 2019 год.
Реакции термоядерного синтеза — это реакции слияния ядер легких изотопов с образованием ядра более тяжелого, которые сопровождаются огромным выбросом энергии. В теории в термоядерных реакторах можно получать много энергии с низкими затратами, но на данный момент ученые тратят намного больше энергии и денег на запуск и поддержание реакции синтеза.
Термоядерный синтез - это дешевый и экологически безопасный способ добычи энергии. На Солнце уже миллиарды лет происходит неуправляемый термоядерный синтез - из тяжелого изотопа водорода дейтерия образуется гелий. При этом выделяется колоссальное количество энергии. Однако на Земле люди пока не научились управлять подобными реакциями.
В качестве топлива в реакторе ИТЭР будут использоваться изотопы водорода. В ходе термоядерной реакции энергия выделяется при соединении легких атомов в более тяжелые. Чтобы добиться этого, необходимо разогреть газ до температуры свыше 100 миллионов градусов - намного выше температуры в центре Солнца. Газ при такой температуре превращается в плазму. Атомы изотопов водорода при этом сливаются, превращаясь в атомы гелия с выделением большого количества нейтронов. Электростанция, работающая на этом принципе, будет использовать энергию нейтронов, замедляемых слоем плотного вещества (лития).
Почему создание термоядерных установок столь затянулось?
Почему же столь важные и ценные установки, преимущества которых обсуждаются почти полстолетия, еще не созданы? Существуют три основные причины (рассматриваемые ниже), первую из которых можно назвать внешней или общественной, а две остальные — внутренними, то есть обусловленными законами и условиями развития самой термоядерной энергетики.
1. Долгое время считалось, что проблема практического использования энергии термоядерного синтеза не требует срочных решений и действий, так как еще в 80-х годах прошлого столетия источники ископаемого топлива казались неистощимыми, а проблемы экологии и изменения климата не волновали общественность. В 1976 году Консультативный комитет по термоядерной энергии в Министерстве энергетики США попытался оценить сроки осуществления НИОКР и создания демонстрационной термоядерной энергетической установки при разных вариантах финансирования исследований. При этом обнаружилось, что объемы годичного финансирования исследований в данном направлении совершенно недостаточны, и при сохранении существующего уровня ассигнований создание термоядерных установок никогда не завершится успехом, поскольку выделяемые средства не соответствуют даже минимальному, критическому уровню.
2. Более серьезное препятствие на пути развития исследований в данной области состоит в том, что термоядерную установку обсуждаемого типа нельзя создать и продемонстрировать в малых размерах. Из представленных далее объяснений станет ясно, что для термоядерного синтеза необходимо не только магнитное удержание плазмы, но и достаточный ее нагрев. Отношение затрачиваемой и получаемой энергии возрастает, по меньшей мере, пропорционально квадрату линейных размеров установки, вследствие чего научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на достаточно крупных станциях, типа упоминавшегося реактора ITER. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не было достаточной уверенности в успехе.
3. Развитие термоядерной энергетики носило очень сложный характер, однако (несмотря на недостаточное финансирование и трудности выбора центров для создания установок JET и ITER) в последние годы наблюдается явный прогресс, хотя действующая станция еще не создана.
Современный мир стоит перед очень серьезным энергетическим вызовом, который более точно можно назвать «неопределенным энергетическим кризисом». Проблема связана с тем, что запасы ископаемых горючих веществ могут иссякнуть уже во второй половине текущего столетия. Более того, сжигание ископаемых топлив может привести к необходимости каким-то образом связывать и «сохранять» выпускаемый в атмосферу углекислый газ (упомянутая выше программа CCS) для предотвращения серьезных изменений в климате планеты.
В настоящее время почти вся потребляемая человечеством энергия создается сжиганием ископаемых топлив, а решение проблемы может быть связано с использованием солнечной энергии или ядерной энергетики (созданием реакторов-размножителей на быстрых нейтронах и т. п.). Глобальная проблема, обусловленная ростом населения развивающихся стран и их потребностью в повышении уровня жизни и увеличении объема производимой энергии, не может быть решена только на основе рассматриваемых подходов, хотя, конечно, следует поощрять любые попытки развития альтернативных методов выработки энергии.
Собственно говоря, у нас небольшой выбор стратегий поведения и развитие термоядерной энергетики является исключительно важным, даже несмотря на отсутствие гарантии успеха. Газета Financial Times (от 25.01.2004) писала по этому поводу:
Будем надеяться на то, что никаких крупных и неожиданных сюрпризов на пути развития термоядерной энергетики не будет. В этом случае примерно через 30 лет мы сумеем впервые подать электрический ток от нее в энергетические сети, а еще через 10 с небольшим лет начнет работать первая коммерческая термоядерная электростанция. Возможно, что во второй половине нашего столетия энергия ядерного синтеза начнет заменять ископаемые топлива и постепенно станет играть всё более важную роль в обеспечении человечества энергией в глобальном масштабе.
Нет абсолютной гарантии, что задача создания термоядерной энергетики (в качестве эффективного и крупномасштабного источника энергии для всего человечества) завершится успешно, но вероятность удачи в этом направлении достаточно высока. Учитывая огромный потенциал термоядерных станций, можно считать оправданными все затраты на проекты их быстрого (и даже ускоренного) развития, тем более, что эти капиталовложения выглядят весьма скромными на фоне чудовищного по объему мирового энергетического рынка (4 триллиона долларов в год8). Обеспечение потребностей человечества в энергии является очень серьезной проблемой. По мере того, как ископаемое топливо становится всё менее доступным (помимо этого, его использование становится нежелательным), ситуация изменяется, и мы просто не можем позволить себе не развивать термоядерную энергетику.
На вопрос «Когда появится термоядерная энергетика?» Лев Арцимович (признанный пионер и лидер исследований в этой области) как-то ответил, что «она будет создана, когда станет действительно необходимой человечеству»
ИТЭР станет первым термоядерным реактором, который будет вырабатывать больше энергии, чем потреблять. Ученые измеряют эту характеристику с помощью простого коэффициента, который они называют «Q». Если ИТЭР позволит достичь всех поставленных научных целей, то он будет производить в 10 раз больше энергии, чем потреблять. Последнее из построенных устройств — «Совместный европейский тор» в Англии — является более мелким прототипом термоядерного реактора, который на окончательном этапе научных исследования достиг значения Q, равного почти 1. Это означает, что он вырабатывал ровно столько же энергии, сколько потреблял. ИТЭР позволит превзойти этот результат, продемонстрировав создание энергии в процессе термоядерного синтеза и достигнув значения Q, равного 10. Идея заключается в том, чтобы при объеме потребления энергии на уровне примерно 50 МВт вырабатывать 500 МВт. Таким образом, одной из научных целей ИТЭР является доказать, что может быть достигнуто значение Q, равное 10.
Другая научная цель заключается в том, что ИТЭР будет иметь весьма продолжительное время «горения» — импульс увеличенной длительности до одного часа. ИТЭР — это научно-исследовательский экспериментальный реактор, который не может производить энергию постоянно. Когда ИТЭР начнет работать, он будет включен в течение одного часа, после чего его необходимо будет отключить. Это важно потому, что до сих пор создаваемые нами типовые устройства были способны иметь время горения длиной в несколько секунд или даже десятых долей секунд — это максимум. «Совместный европейский тор» достиг своего значения Q, равного 1, при времени горения примерно две секунды при длине импульса 20 секунд. Но процесс, который длится несколько секунд, не является по-настоящему постоянным. По аналогии с запуском двигателя автомобиля: кратковременное включение двигателя с последующим выключением — это еще не настоящая эксплуатация автомобиля. Только когда вы проедете на вашем автомобиле в течение получаса, он выйдет на постоянный режим работы и продемонстрирует, что на таком автомобиле действительно можно ехать.
То есть, с технической и научной точек зрения, ИТЭР обеспечит значение Q, равное 10, и увеличенное время горения.
Программа термоядерного синтеза носит поистине международный, широкий характер. Люди уже сейчас рассчитывают на успех ИТЭР и думают о следующем шаге — создании прототипа промышленного термоядерного реактора под названием ДЕМО. Чтобы построить его, необходимо, чтобы ИТЭР работал. Мы должны достичь наших научных целей, потому что это будет означать, что выдвигаемые нами идеи вполне осуществимы. Тем не менее, я согласен с тем, что всегда следует думать о том, что будет дальше. Кроме того, в процессе эксплуатации ИТЭР в течение 25-30 лет наши знания постепенно углубятся и расширятся, и мы сможем более точно наметить наш следующий шаг.
Действительно, споров о том, должен ли ИТЕР быть именно токамаком, не возникает. Некоторые ученые ставят вопрос совсем иначе: должен ли ИТЕР быть? Специалисты в разных странах, развивающие собственные, не столь масштабные термоядерные проекты, утверждают, что такой большой реактор вовсе не нужен.
Впрочем, их мнение вряд ли стоит считать авторитетным. В создании ИТЕР были задействованы физики, работающие с тороидальными ловушками уже несколько десятков лет. В основу устройства экспериментального термоядерного реактора в Карадаше легли все знания, полученные в ходе экспериментов на десятках токамаков-предшественников. И эти результаты говорят о том, что реактор обязательно должен токамаком, причем большим.
JET На данный момент самым успешным токамаком можно считать JET, построенный ЕС в британском городке Эбингдоне. Это самый крупный из созданных на сегодня реакторов типа токамак, большой радиус плазменного тора 2,96 метров. Мощность термоядерной реакции достигает уже более 20 мегаватт при времени удержания до 10 секунд. Реактор возвращает около 40% от вложенной в плазму энергии.
Именно физика плазмы определяет энергобаланс, — рассказал Infox.ru Игорь Семенов. Что такое энергобаланс, доцент МФТИ описал на простом примере: «Все мы видели, как горит костер. На самом деле там не дрова горят, а газ. Энергетическая цепочка там вот какая: горит газ, греет дрова, дрова испаряются, опять горит газ. Поэтому, если мы плеснем в огонь воды, то мы резко заберем из системы энергию на фазовый переход жидкой воды в парообразное состояние. Баланс станет отрицательным, костер погаснет. Есть и другой способ - мы просто можем взять и головешки разнести в пространстве. Костер тоже погаснет. Точно также и в термоядерном реакторе, который мы строим. Размеры выбраны так, чтобы создать для данного реактора соответствующий положительный энергобаланс. Достаточный, чтобы в будущем построить настоящую ТЯЭС, решив на данном, экспериментальном этапе все проблемы, которые на данный момент остаются нерешенными».
Размеры реактора однажды менялись. Это произошло на рубеже XX-XXI века, когда США вышли из проекта, а оставшиеся члены поняли, что бюджет ИТЕР (к тому моменту он оценивался в 10 миллиардов долларов США) слишком велик. От физиков и инженеров потребовали уменьшить стоимость установки. А сделать это можно было только за счет размеров. Руководил «перепроектированием» ИТЕР французский физик Роберт Аймар (Robert Aymar), который прежде работал на французском токамаке Tore Supra в Карадаше. Внешний радиус плазменного тора был сокращен с 8,2 до 6,3 метра. Впрочем, риски, связанные с уменьшением размера, отчасти компенсировали несколько дополнительных сверхпроводящих магнитов, которые позволили реализовать открытый и исследованный на тот момент режим удержания плазмы.
