Термоядерный реактор – энергетическое будущее человечества. Термоядерные электростанции

Нужна ли термоядерная энергия?

На данном этапе развития цивилизации можно смело заявить, что перед человечеством стоит «энергетический вызов». Он обусловлен сразу несколькими фундаментальными факторами:

— 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 себе. Потребляемая каждым жителем Земли (включая детей) энергия соответствует круглосуточной работе 24-х 100-ваттных электрических ламп.

— Мировое потребление энергии быстро возрастает .

По прогнозу Международного агентства по энергетике (2006 год), мировое потребление энергии к 2030 году должно увеличиться на 50%.

— В настоящее время 80% потребляемой миром энергии создается за счет сжигания ископаемых природных топлив (нефть, уголь и газ ), использование которых потенциально несет опасность катастрофических экологических изменений.

У жителей Саудовской Аравии популярна следующая шутка: «Мой отец ездил на верблюде. Я обзавелся автомобилем, а мой сын уже управляет самолетом. Но вот его сын вновь пересядет на верблюда».

Похоже, что дела обстоят именно так, поскольку, по всем серьезным прогнозам, запасы нефти в мире закончатся в основном примерно через 50 лет.

Даже на основании оценок Геологической службы США (этот прогноз значительно оптимистичнее остальных), рост мировой добычи нефти будет продолжаться не более 20 ближайших лет (другие специалисты предсказывают, что пик добычи будет достигнут уже через 5-10 лет), после чего объем добываемой нефти начнет уменьшаться со скоростью около 3% в год. Перспективы добычи природного газа выглядят ненамного лучше. Обычно говорят, что каменного угля нам хватит еще на 200 лет, но этот прогноз основан на сохранении существующего уровня добычи и расхода. Между тем потребление угля сейчас возрастает на 4,5% в год, что сразу сокращает упомянутый период в 200 лет всего до 50 лет.

Таким образом, уже сейчас следует готовиться к окончанию эпохи использования ископаемых типов горючего.

К сожалению, существующие сейчас альтернативные источники энергии не в состоянии покрыть растущих потребностей человечества. По самым оптимистичным оценкам, максимальное количество энергии (в указанном тепловом эквиваленте), создаваемое перечисленными источниками, составляет всего 3 ТВт (ветер), 1 ТВт (гидростанции), 1 ТВт (биологические источники) и 100 ГВт (геотермальные и морские установки). Суммарное количество дополнительной энергии (даже в этом, самом оптимальном прогнозе) составляет лишь около 6 ТВт. При этом стоит отметить, что разработка новых источников энергии является очень сложной технической задачей, так что стоимость производимой ими энергии будет в любом случае выше, чем при привычном сжигании угля и т. п. Представляется совершенно очевидным, что

человечество должно искать какие-то иные источники энергии, в качестве которых в настоящее время реально можно рассматривать только Солнце и реакции термоядерного синтеза.

Потенциально Солнце представляет собой практически неистощимый источник энергии. Количество энергии, попадающей всего на 0,1% поверхности планеты, эквивалентно 3,8 ТВт (даже при условии его преобразования с эффективностью всего 15%). Проблема заключается в нашем неумении улавливать и преобразовывать эту энергию, что связано как с высокой стоимостью солнечных батарей, так и с проблемами накопления, хранения и дальнейшей передачи получаемой энергии в требуемые регионы.

В настоящее время на атомных электростанциях в широких масштабах получают энергию, выделяющуюся при реакциях деления атомных ядер. Я полагаю, что 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.

Еще одним важным направлением развития является использование ядерного синтеза (слияния ядер), которое выступает сейчас в качестве основной надежды на спасение, хотя время создания первых термоядерных электростанций пока остается неопределенным. Именно этой теме посвящена данная лекция.

Что такое ядерный синтез?

Ядерный синтез, являющийся основой существования Солнца и звёзд, потенциально представляет собой неистощимый источник энергии для развития Вселенной вообще. Эксперименты, проводимые в России (Россия - родина термоядерной установки Токамак), США, Японии, Германии, а также в Великобритании в рамках программы Joint European Torus (JET), являющейся одной из ведущих исследовательских программ в мире, показывают, что ядерный синтез может обеспечить не только текущие энергетические потребности человечества (16 ТВт), но и гораздо большее количество энергии.

Энергия ядерного синтеза является совершенно реальной, и основной вопрос состоит в том, сможем ли мы создать достаточно надежные и экономически выгодные термоядерные установки.

Процессами ядерного синтеза называют реакции слияния легких атомных ядер в более тяжелые с выделением некоторого количества энергии.

Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в следующем виде:

D + T = 4 He + n + энергия (17,6 MэВ).

Выделенная энергия, возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи, переходит в обычную кинетическую энергию, распределяемую между нейтроном и ядром гелия-4 в пропорции 14,1 MэВ/3,5 MэВ.

Для инициирования (зажигания) реакции синтеза необходимо полностью ионизовать и нагреть газ из смеси дейтерия и трития до температуры выше 100 миллионов градусов по Цельсию (будем обозначать ее через M градусов), что примерно в пять раз выше температуры в центре Солнца. Уже при температуре несколько тысяч градусов межатомные столкновения приводят к выбиванию электронов из атомов, в результате чего формируется смесь из разделенных ядер и электронов, известная под названием плазмы, в которой положительно заряженные и высокоэнергичные дейтроны и тритоны (то есть ядра дейтерия и трития) испытывают сильное взаимное отталкивание. Тем не менее высокая температура плазмы (и связанная с этим высокая энергия ионов) позволяют этим ионам дейтерия и трития преодолевать кулоновское отталкивание и сталкиваться друг с другом. При температуре выше 100 M градусов наиболее «энергетические» дейтроны и тритоны сближаются при столкновениях на столь близкие расстояния, что между ними начинают действовать мощные ядерные силы, заставляющие их сливаться друг с другом в единое целое.

Осуществление этого процесса в лаборатории связано с тремя очень сложными проблемами. Прежде всего, газовую смесь ядер D и T следует нагреть до температур выше 100 M градусов, каким-то образом предотвращая его охлаждение и загрязнение (из-за реакций со стенками сосуда).

Для решения этой задачи были придуманы «магнитные ловушки», получившие название Токамак, которые предотвращают взаимодействие плазмы со стенками реактора.

В описываемом методе плазма нагревается электрическим током, протекающим внутри тора, примерно до 3 M градусов, что, однако, оказывается еще недостаточным для инициирования реакции. Для дополнительного нагрева плазмы в неё либо «вкачивают» энергию радиочастотным излучением (как в микроволновой печке), либо инжектируют пучки нейтральных частиц с высокой энергией, которые при столкновениях передают свою энергию плазме. Кроме того, выделение тепла происходит за счет, собственно, термоядерных реакций (как будет рассказано ниже), в результате чего в достаточно большой установке должно происходить «зажигание» плазмы.

В настоящее время во Франции начинается строительство описываемого ниже международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), который будет первым Токамаком, способным «зажечь» плазму.

В наиболее передовых существующих установках типа Токамак давно достигнуты температуры порядка 150 M градусов, 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 её 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.

Возникающие при реакции синтеза электрически заряженные ядра гелия удерживаются внутри «магнитной ловушки», где постепенно тормозятся за счет столкновений с другими частицами, причем выделяющаяся при столкновениях энергия помогает поддерживать высокую температуру плазменного шнура. Нейтральные (не имеющие электрического заряда) нейтроны покидают систему и передают свою энергию стенкам реактора, а отбираемое от стен тепло и является источником энергии для работы турбин, вырабатывающих электричество. Проблемы и сложности эксплуатации такой установки связаны, прежде всего, с тем, что мощный поток высокоэнергичных нейтронов и выделяющаяся энергия (в виде электромагнитного излучения и частиц плазмы) серьезно воздействуют на реактор и могут разрушить материалы, из которых он создан.

Из-за этого конструкция термоядерных установок является очень сложной. Перед физиками и инженерами стоит задача обеспечения высокой надежности их работы. Проектирование и строительство термоядерных станций требуют от них решения целого ряда разнообразных и очень сложных технологических задач.

Устройство термоядерной 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 м 3 , заполненная тритий-дейтериевой (T-D) плазмой, нагретой до температуры выше 100 M градусов. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны покидают «магнитную ловушку» и попадают в показанную на рисунке оболочку с толщиной около 1 м. 1

Внутри оболочки нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития:

нейтрон + литий = гелий + тритий.

Кроме того, 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.

Нейтроны должны разогревать оболочку в так называемых пилотных установках (в которых будут использоваться относительно «обычные» конструкционные материалы) примерно до температуры 400 градусов. В дальнейшем предполагается создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000 градусов, 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.

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 кг 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 Вселенной). 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 нарабатываться 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, например). 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 CO 2 и без малейшего загрязнения атмосферы), является достаточно серьезным аргументом для быстрейшего и энергичного развития исследований по разработке термоядерной энергетики (несмотря на все сложности и проблемы) даже при долгосрочной перспективе создания экономически эффективного термоядерного реактора.

Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легкодобываемого 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.

Термоядерная энергетика не только обещает человечеству, в принципе, возможность производства огромного количества энергии в будущем (без выбросов CO 2 и без загрязнения атмосферы), но и обладает рядом других достоинств.

1 ) Высокая внутренняя безопасность.

Используемая в термоядерных установках плазма имеет очень низкую плотность (примерно в миллион раз ниже плотности атмосферы), вследствие чего рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьезных происшествий или аварий.

Кроме того, загрузка «топливом» должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать ее работу, не говоря уже о том, что в случае аварии и резкого изменения условий окружения термоядерное «пламя» должно просто погаснуть.

В чем состоят связанные с термоядерной энергетикой опасности? Во-первых, стоит отметить, что хотя продукты синтеза (гелий и нейтроны) не являются радиоактивными, оболочка реактора при длительном нейтронном облучении может стать радиоактивной.

Во-вторых, тритий является радиоактивным и имеет относительно небольшой период полураспада (12 лет). Но хотя объем используемой плазмы значителен, из-за ее низкой плотности там содержится лишь очень небольшое количество трития (общим весом примерно как десять почтовых марок). Поэтому

даже при самых тяжелых ситуациях и авариях (полное разрушение оболочки и выделение всего содержащегося в ней трития, например, при землетрясении и падении самолета на станцию) в окружающую среду поступит лишь незначительное количество топлива, что не потребует эвакуации населения из близлежащих населенных пунктов.

2 ) Стоимость энергии.

Ожидается, что так называемая «внутренняя» цена получаемой электроэнергии (стоимость самого производства) станет приемлемой, если будет составлять 75% от уже существующей на рынке цены. «Приемлемость» в данном случае означает, что цена будет ниже цены энергии, получаемой с использованием старых углеводородных топлив. «Внешняя» цена (побочные эффекты, воздействие на здоровье населения, климат, экологию и т. п.) будет, по существу, равной нулю.

Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER

Основной следующий шаг состоит в построении реактора ITER, спроектированного с целью демонстрации самой возможности зажигания плазмы и получения на этой основе хотя бы десятикратного выигрыша в энергии (по отношению к энергии, затрачиваемой на разогрев плазмы). Реактор ITER будет представлять собой экспериментальное устройство, которое даже не будет снабжено турбинами для производства электроэнергии и устройствами для её использования. Целью его создания является изучение условий, которые должны выполняться при работе таких энергетических установок, а также создание на этой основе настоящих, экономически выгодных электростанций, которые по размерам, по-видимому, должны превосходить ITER. Создание реальных прототипов термоядерных электростанций (то есть станций, полностью оборудованных турбинами и т. д.) требует решения двух следующих задач. Во-первых, необходимо продолжить разработку новых материалов (способных выдерживать очень суровые условия эксплуатации в описанных условиях) и провести их испытания в соответствии со специальными правилами для аппаратуры системы IFMIF (International Fusion Irradiation Facility), описанной ниже. Во-вторых, необходимо решить много чисто технических задач и развить новые технологии, относящиеся к дистанционному управлению, нагреву, конструкции оболочек, топливным циклам и т. д. 2

На рисунке показан реактор ITER, превосходящий крупнейшую на сегодня установку JET не только по всем линейным размерам (примерно вдвое), но и по величине используемых в нем магнитных полей и протекающих через плазму токов.

Целью создания этого реактора является демонстрация возможностей объединенных усилий физиков и инженеров при конструировании крупномасштабной термоядерной электростанции.

Намеченная проектировщиками мощность установки 500 МВт (при затрате энергии на входе системы всего около 50 МВт). 3

Установка ITER создается консорциумом, в который входят ЕC, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США. Общая численность населения этих стран составляет около половины всего населения Земли, так что проект можно назвать глобальным ответом на глобальный вызов. Основные компоненты и узлы реактора ITER уже созданы и испытаны, а строительство уже начато в местечке Кадараш (Франция). Запуск реактора запланирован на 2020 год, а получение дейтерий-тритиевой плазмы - на 2027 год, так как ввод реактора в действие требует длительных и серьезных испытаний для плазмы из дейтерия и трития.

Магнитные катушки реактора ITER созданы на основе сверхпроводящих материалов (что, в принципе, позволяет работать непрерывно при условии поддержания тока в плазме), так что проектировщики надеются обеспечить гарантированный рабочий цикл длительностью не менее 10 минут. Понятно, что наличие сверхпроводящих магнитных катушек является принципиально важным для непрерывной работы реальной термоядерной электростанции. Сверхпроводящие катушки уже применялись в устройствах типа Токамак, однако ранее они не использовались в столь крупномасштабных установках, рассчитанных на тритиевую плазму. Кроме этого, в установке ITER будут впервые использованы и испытаны разные модули оболочки, предназначенные для работы в реальных станциях, где могут генерироваться или «восстанавливаться» ядра трития.

Основной целью постройки установки является демонстрация успешного управления горением плазмы и возможности реального получения энергии в термоядерных устройствах при существующем уровне развития технологий.

Дальнейшее развитие в этом направлении, конечно, потребует многих усилий для повышения эффективности работы устройств, особенно с точки зрения их экономической целесообразности, что связано с серьезными и длительными исследованиями, как на реакторе ITER, так и на других устройствах. Среди поставленных задач следует особо выделить три следующие:

1) Необходимо показать, что существующий уровень науки и техники уже позволяет получать 10-кратный выигрыш в энергии (по сравнению с затрачиваемой для поддержания процесса) при контролируемом процессе ядерного синтеза. Реакция должна протекать без возникновения опасных неустойчивых режимов, без перегрева и повреждения материалов конструкции и без загрязнения плазмы примесями. При мощностях термоядерной энергии порядка 50 % от мощности нагрева плазмы эти цели уже были достигнуты в экспериментах на небольших установках, однако создание реактора ITER позволит проверить надежность методов управления на гораздо более крупной установке, производящей гораздо больше энергии в течение длительного времени. Реактор ITER проектируется для проверки и согласования требований к будущему термоядерному реактору, и его создание является весьма сложной и интересной задачей.

2) Необходимо изучить методы повышения давления в плазме (напомним, что скорость реакции при заданной температуре пропорциональна квадрату давления) для предотвращения возникновения опасных неустойчивых режимов поведения плазмы. Успех исследований в этом направлении позволит либо обеспечить работу реактора при более высокой плотности плазмы, либо понизить требования к напряженности создаваемых магнитных полей, что существенно уменьшит стоимость производимой реактором электроэнергии.

3) Испытания должны подтвердить, что непрерывная работа реактора в устойчивом режиме может быть обеспечена реально (с экономической и технической точек зрения это требование представляется очень важным, если не основным), а запуск установки можно будет осуществлять без огромных затрат энергии. Исследователи и проектировщики очень надеются, что «непрерывное» течение электромагнитного тока по плазме может быть обеспечено его генерацией в плазме (за счёт высокочастотного излучения и инжекции быстрых атомов).

Современный мир стоит перед очень серьезным энергетическим вызовом, который более точно можно назвать «неопределенным энергетическим кризисом».

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 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.

Если никаких крупных и неожиданных сюрпризов на пути развития термоядерной энергетики не будет, то при соблюдении выработанной разумной и упорядоченной программы действий, которая (разумеется, при условии хорошей организации работ и достаточного их финансирования) должна привести к созданию прототипа термоядерной электростанции. В этом случае примерно через 30 лет мы сумеем впервые подать электрический ток от неё 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 все более важную роль в обеспечении человечества энергией в глобальном масштабе.

«Lockheed Martin начала разработку компактного термоядерного реактора… На сайте фирмы говорится о постройке первого опытного образца уже через год. Если это окажется правдой, через год мы будем жить в совершенно ином мире», - это начало одной из «Чердака». Со времени ее публикации прошло три года, и мир с тех пор не так уж сильно изменился.

Сегодня в реакторах атомных электростанций энергия вырабатывается за счет распада тяжелых ядер. В термоядерных же реакторах энергия получается в ходе процесса слияния ядер, при котором образуются ядра меньшей массы, чем сумма исходных, а «остаток» уходит в виде энергии. Отходы ядерных реакторов радиоактивны, их безопасное захоронение - это большая головная боль. Термоядерные реакторы такого недостатка лишены, а также используют широко доступное топливо, такое как водород.

У них есть только одна большая проблема - промышленных образцов еще не существует. Задача непростая: для термоядерных реакций нужно сжать топливо и нагреть до сотен миллионов градусов - горячее, чем на поверхности Солнца (где термоядерные реакции происходят естественным путем). Достичь такой высокой температуры сложно, но можно, только вот потребляет такой реактор энергии больше, чем вырабатывает.

Однако потенциальных достоинств у них все равно так много, что разработкой занимается, конечно же, не только Lockheed Martin.

ITER

ITER - cамый крупный проект в этой области. В нем участвуют Евросоюз, Индия, Китай, Корея, Россия, США и Япония, а сам реактор строится на территории Франции с 2007 года, хотя его история уходит намного глубже в прошлое: о его создании договаривались еще Рейган с Горбачевым в 1985-м. Реактор представляет собой тороидальную камеру, «бублик», в которой плазму удерживают магнитные поля, потому и называется токамак - то роидальная ка мера с ма гнитными к атушками. Энергию реактор будет вырабатывать за счет слияния изотопов водорода - дейтерия и трития.

Планируется, что ITER будет получать энергии в 10 раз больше, чем потреблять, однако будет это не скоро. Изначально планировалось, что в экспериментальном режиме реактор начнет работать в 2020 году, однако затем этот срок перенесли на 2025-й. При этом промышленное производство энергии начнется не раньше 2060 года, а уж ждать распространения этой технологии можно только где-то в конце XXI века.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X - крупнейший термоядерный реактор типа стелларатор. Стелларатор решает проблему, которая преследует токамаки, - «расползание» плазмы из центра тора к его стенкам. То, с чем токамак пытается справиться за счет мощи магнитного поля, стелларатор решает за счет своей сложной формы: удерживающее плазму магнитное поле изгибается, чтобы пресечь поползновения заряженных частиц.

Wendelstein 7-X, как надеются его создатели, в 21-м году сможет проработать полчаса, что даст «билет в жизнь» идее термоядерных станций подобной конструкции.

National Ignition Facility

Еще один тип реакторов использует для сжатия и разогрева топлива мощные лазеры. Увы, крупнейшая лазерная установка для получения термоядерной энергии, американская NIF, не смогла выдать энергии больше, чем потребляет.

Какие из всех этих проектов действительно «взлетят», а кого постигнет участь NIF, предсказать сложно. Остается ждать, надеяться и следить за новостями: 2020-е обещают стать интересным временем для ядерной энергетики.

«Ядерные технологии » - один из профилей Олимпиады НТИ для школьников.

Пессимисты:

«Можно сравнить это с коммунизмом. Проблем в этой области больше, чем явных решений…»;

«Это одна из любимых тем для написания футуристических статей о светлом будущем…»

Оптимисты:

«Это будет, потому что все невероятнейшее оказывалось либо изначально невозможным, либо тем, прогресс чего был критическим фактором для развития техники…»;

«Термоядерная энергетика – это, ребята, наше неизбежное будущее, и никуда от него не деться…»

Определимся с терминами

– Что такое управляемый термоядерный синтез?

Елена Корешева : Управляемый термоядерный синтез (УТС) – это направление исследований, целью которого является промышленное использование энергии термоядерных реакций синтеза легких элементов.

Ученые всего мира начали эти исследования, когда термоядерный синтез в его неуправляемой стадии был продемонстрирован при взрыве под Семипалатинском первой в мире водородной бомбы. Проект такой бомбы был разработан в СССР в 1949 году Андреем Сахаровым и Виталием Гинзбургом – будущими Нобелевскими лауреатами из ФИАНа – Физического института им. П. Н. Лебедева Академии наук СССР, а 5 мая 1951 года было выпущено постановление Совета министров СССР о развертывании работ по термоядерной программе под руководством И. В. Курчатова.

В отличие от ядерной бомбы, при взрыве которой энергия выделяется в результате деления атомного ядра, в водородной бомбе происходит термоядерная реакция, основная энергия которой выделяется при горении тяжелого изотопа водорода – дейтерия.

Необходимые условия для запуска термоядерной реакции – высокая температура (~100 млн °C) и высокая плотность топлива – в водородной бомбе достигаются с помощью взрыва малогабаритного ядерного запала.

Чтобы реализовать такие же условия в лаборатории, то есть перейти от неуправляемого термоядерного синтеза к управляемому, ученые ФИАН академик Н. Г. Басов, лауреат Нобелевской премии 1964 года, и академик О. Н. Крохин предложили использовать излучение лазера. Именно тогда, в 1964 году, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева, а затем и в других научных центрах нашей страны были начаты исследования по УТС в области с инерциальным удержанием плазмы. Это направление получило название инерциального термоядерного синтеза, или ИТС.

Классическая топливная мишень, применяемая в экспериментах по ИТС, представляет собой систему вложенных шаровых слоев, простейший вариант которой – внешняя полимерная оболочка и криогенный слой топлива, сформированный на ее внутренней поверхности. Основная идея ИТС – сжать пять миллиграммов сферической топливной мишени до плотностей, превышающих более чем в тысячу раз плотность твердого тела.

Сжатие осуществляется внешней оболочкой мишени, вещество которой, интенсивно испаряясь под воздействием сверхмощных лазерных лучей или пучков высокоэнергичных ионов, создает реактивную отдачу. Не испаренная часть оболочки как мощный поршень сжимает находящееся внутри мишени топливо, и в момент максимального сжатия сходящаяся ударная волна поднимает температуру в центре сжатого топлива настолько, что начинается термоядерное горение.

Предполагается, что в камеру реактора ИТС мишени будут инжектироваться с частотой 1-15 Гц, чтобы обеспечить их непрерывное облучение и, соответственно, непрерывную последовательность термоядерных микровзрывов, дающих энергию. Это напоминает работу двигателя внутреннего сгорания, только энергии мы в таком процессе можем получить на много порядков больше.

Другой подход в УТС связан с магнитным удержанием плазмы. Это направление получило название магнитного термоядерного синтеза (МТС). Исследования в этом направлении стартовали на десять лет раньше, в начале 1950-х годов. Институт им. И. В. Курчатова – пионер этих исследований в нашей стране.

– Какова конечная задача этих исследований?

Владимир Николаев : Конечная задача – использование термоядерных реакций при производстве электрической и тепловой энергии на современных высокотехнологичных, экологически чистых, использующих практически неисчерпаемые энергетические ресурсы объектах генерации – инерциальных термоядерных электростанциях. Этот новый тип электростанций должен со временем заменить привычные нам работающие на углеводородном топливе (газ, уголь, мазут) тепловые электростанции (ТЭС), а также атомные электростанции (АЭС). Когда же это случится? По словам академика Л. А. Арцимовича, одного из лидеров исследований УТС в нашей стране, термоядерная энергетика будет создана тогда, когда станет действительно необходимой человечеству. Такая необходимость с каждым годом становится все более острой, и вот по каким причинам:

1. Согласно прогнозам, сделанным в 2011 году Международным энергетическим агентством (МЭА), мировое годовое потребление электроэнергии в период между 2009 и 2035 годами возрастет более чем в 1,8 раза – с 17200 ТВт-ч в год до более чем 31700 ТВт-ч в год, при ежегодном темпе роста в 2,4 процента.

2. Применяемые человечеством меры, направленные на экономию энергии, применение различного рода энергосберегающих технологий на производстве и в быту, увы, не дают ощутимого результата.

3. Более 80 процентов потребляемой в мире энергии сейчас производится за счет сжигания ископаемых – нефти, угля и природного газа. Прогнозируемое через пятьдесят-сто лет истощение запасов этого ископаемого топлива, а также неравномерность расположения месторождений этих ископаемых, удаленность данных месторождений от электростанций, требующая дополнительных расходов на транспортировку энергетических ресурсов, необходимость в отдельных случаях нести дополнительные весьма существенные расходы на обогащение и на подготовку топлива к сжиганию.

4. Развитие возобновляемых источников энергии на основе солнечной энергии, энергии ветра, гидроэнергетики, биогаза (в настоящее время на эти источники приходится около 13-15 процентов потребляемой в мире энергии) ограничивается такими факторами, как зависимость от климатических особенностей места нахождения электростанции, зависимость от времени года и даже времени суток. Сюда следует также добавить относительно небольшие номинальные мощности ветроустановок и солнечных станций, необходимость отведения под ветропарки значительных территорий, нестабильность режимов работы ветро- и солнечных электростанций, создающую технические сложности встраивания данных объектов в режим работы электроэнергетической системы, и т. п.

– Каковы прогнозы на будущее?

Владимир Николаев : Основным кандидатом на лидирующие позиции в энергетике будущего является ядерная энергия – энергия атомных электростанций и энергия управляемого термоядерного синтеза. Если в настоящее время около 18 процентов потребляемой в России энергии – это энергия атомных электростанций, то управляемый термоядерный синтез еще не осуществлен в промышленных масштабах. Эффективное решение практического использования УТС позволит овладеть экологически чистым, безопасным и практически неисчерпаемым источником энергии.

А где же реальный опыт внедрения?

– Почему же УТС так долго ждет своего внедрения? Ведь первые работы в этом направлении были проведены Курчатовым еще в 1950-х?

Владимир Николаев : Долгое время вообще считалось, что проблема практического использования энергии термоядерного синтеза не требует срочных решений, так как еще в 80-х годах прошлого столетия источники ископаемого топлива казались неистощимыми, а проблемы экологии и изменения климата не стояли так остро, как сейчас.

Кроме того, освоение проблемы УТС изначально потребовало развития совершенно новых научных направлений – физики высокотемпературной плазмы, физики сверхвысоких плотностей энергии, физики аномальных давлений. Потребовалось развитие компьютерных технологий и разработка ряда математических моделей поведения вещества при запуске термоядерных реакций. Для проверки теоретических результатов потребовалось сделать технологический рывок в создании лазеров, ионных и электронных источников, топливных микромишеней, диагностического оборудования, а также создать масштабные лазерные и ионные установки.

И эти усилия не пропали даром. Совсем недавно, в сентябре 2013 года, в экспериментах США на мощной лазерной установке NIF впервые продемонстрирована так называемая «научная рентабельность» (scientific breakeven): энергия, выделившаяся в термоядерных реакциях, превзошла энергию, вложенную в сжатие и нагрев топлива в мишени по схеме ИТС. Это служит дополнительным стимулом в ускорении развития существующих в мире программ, нацеленных на демонстрацию возможности коммерческого использования термоядерного реактора.

По разным прогнозам, первый опытный образец термоядерного реактора будет запущен в период до 2040 года, как результат действия ряда международных проектов и государственных программ, в том числе это международный реактор ITER на основе МТС, а также национальные программы построения реакторов на основе ИТС в США, Европе и Японии. Таким образом, от запуска процессов неуправляемого термоядерного синтеза до запуска первой электростанции УТС пройдет семьдесят-восемьдесят лет.

Относительно длительности внедрения УТС хочу пояснить, что 80 лет отнюдь не является большим сроком. Например, от момента изобретения Алессандро Вольтой первого гальванического элемента в 1800 году до момента запуска первого опытного образца электростанции Томасом Эдисоном в 1882 году прошло восемьдесят два года. А если говорить об открытии и первых исследованиях Уильямом Гилбертом электрических и магнитных явлений (1600 год), то до практического применения данных явлений прошло более двух веков.

– Каковы научные и практические направления использования инерциального управляемого термоядерного синтеза?

Елена Корешева : Реактор ИТС − это экологически чистый источник энергии, который сможет конкурировать экономически с традиционными источниками на органическом топливе и АЭС. В частности, прогноз Ливерморской национальной лаборатории США предсказывает полный отказ энергетики США от современных АЭС и их полное замещение системами ИТС к 2090 году.

Технологии, разработанные при создании реактора ИТС, могут быть использованы в различных отраслях промышленности страны.

Но прежде всего необходимо создать механический макет реактора, или ММР, который позволит оптимизировать основные процессы, связанные с частотой и синхронностью доставки топливных мишеней в зону термоядерного горения. Запуск ММР и проведение на нем тестовых экспериментов являются необходимой стадией при разработке элементов коммерческого реактора.

Ну и, наконец, реактор ИТС это мощный источник нейтронов с нейтронным выходом до 1020 н/сек, а плотность потока нейтронов в нем достигает колоссальных величин и может превышать 1020 н/сек-см 2 в среднем и 1027 н/сек-см 2 в импульсе вблизи зоны реакции. Реактор ИТС как мощный источник нейтронов является уникальным инструментом исследования в таких направлениях, как фундаментальные исследования, энергетика, нано- и биотехнологии, медицина, геология, проблемы безопасности.

Что касается научных направлений использования ИТС, то они включают изучение физики, связанной с эволюцией сверхновых звезд и других астрофизических объектов, исследование поведения вещества в экстремальных условиях, получение трансурановых элементов и изотопов, не существующих в природе, исследование физики взаимодействия лазерного излучения с плазмой и многое другое.

– По вашему мнению, а есть ли вообще необходимость перехода на УТС как на альтернативный источник энергии?

Владимир Николаев : Существует несколько аспектов необходимости такого перехода. Прежде всего, это экологический аспект: общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий, как углеводородных, так и атомных.

Не стоит забывать и политический аспект этой проблемы, ведь освоение альтернативной энергетики позволит стране претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы.

Далее отметим тот факт, что добывать топливные ресурсы становится все дороже, а их сжигание становится все менее целесообразным. Как говорил Д. И. Менделеев, «топить нефтью – это все равно, что топить ассигнациями». Поэтому переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить углеводородные ресурсы страны для их использования в химической и других отраслях промышленности.

И наконец, поскольку численность и плотность населения постоянно растут, становится все труднее найти районы строительства АЭС и ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды.

Таким образом, с точки зрения социальных, политических, экономических или экологических аспектов создания управляемого термоядерного синтеза вопросов как раз и не возникает.

Основная сложность заключается в том, что для достижения цели необходимо решить множество проблем, которые ранее не стояли перед наукой, а именно:

Понять и описать сложные физические процессы, происходящие в реагирующей топливной смеси,

Подобрать и испытать подходящие конструкционные материалы,

Разработать мощные лазеры и источники рентгеновского излучения,

Разработать импульсные системы питания, способные создавать мощные пучки частиц,

Разработать технологию массового производства топливных мишеней и систему их непрерывной подачи в камеру реактора синхронно с приходом туда импульсов лазерного излучения или пучков частиц и многое другое.

Поэтому на первый план выходит проблема создания Федеральной целевой государственной программы по развитию инерциального управляемого термоядерного синтеза в нашей стране, а также вопросы ее финансирования.

– А будет ли безопасным управляемый термоядерный синтез? Какие последствия для экологии, населения могут быть в результате нештатной ситуации?

Елена Корешева : Во-первых, возможность критической аварии на термоядерной электростанции исключена полностью в силу принципа ее работы. Горючее для термоядерного синтеза критической массы не имеет, и, в отличие от реакторов АЭС, в реакторе УТС процесс реакции можно остановить за доли секунды в случае возникновения каких-либо нештатных ситуаций.

Конструкционные материалы для термоядерной электростанции будут подбираться таким образом, что в них не будут образовываться долгоживущие изотопы из-за активации нейтронами. Это означает, что можно создать «чистый» реактор, не обремененный проблемой долговременного хранения радиоактивных отходов. По оценкам, после остановки отработавшей свой срок термоядерной электростанции ее можно будет утилизировать через двадцать-тридцать лет без применения специальных мер защиты.

Важно подчеркнуть, что энергия термоядерного синтеза является мощным и экологически чистым источником энергии, использующим, в конечном счете, в качестве топлива простую морскую воду. При данной схеме извлечения энергии не возникает ни парниковых эффектов, как при сжигании органического топлива, ни долгоживущих радиоактивных отходов, как при работе АЭС.

Термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора, прежде всего в радиационном отношении. Как говорилось выше, возможность критической аварии на термоядерной электростанции исключена. Напротив, на АЭС существует возможность крупной радиационной аварии, что связано с самим принципом ее работы. Самый яркий пример – это аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году и на АЭС Фукусима-1 в 2011 году. Количество находящихся в реакторе УТС радиоактивных веществ невелико. Основной радиоактивный элемент здесь – тритий, который слабо радиоактивен, имеет период полураспада 12,3 года и легко утилизируется. Кроме того, в конструкции реактора УТС есть несколько естественных барьеров, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Срок службы атомной электростанции, с учетом продления ее действия, составляет от тридцати пяти до пятидесяти лет, после чего станцию необходимо выводить из эксплуатации. В реакторе АЭС и вокруг реактора остается большое количество сильно радиоактивных материалов, причем ждать снижения радиоактивности надо многие десятилетия. Это приводит к выводу из хозяйственного оборота огромных территорий и материальных ценностей.

Отметим также, что с точки зрения возможности аварийной утечки трития будущие станции на основе ИТС, несомненно, имеют преимущество перед станциями на основе магнитного термоядерного синтеза. В станциях ИТС количество трития, одновременно находящегося в топливном цикле, исчисляется граммами, максимум десятками граммов, в магнитных же системах это количество должно составлять десятки килограммов.

– А уже есть установки, работающие на принципах инерциального термоядерного синтеза? И если есть, то насколько они эффективны?

Елена Корешева : С целью демонстрации энергии термоядерного синтеза, получаемой по схеме ИТС, во многих странах мира построены опытные лабораторные установки. Наиболее мощные среди них следующие:

В Лоуренсовской Ливерморской национальной лаборатории США с 2009 года действует лазерная установка NIF с энергией лазера 1,8 МДж, сосредоточенной в 192 пучках лазерного излучения;

Во Франции (Бордо) введена в действие мощная установка LMJ с энергией лазера 1,8 МДж в 240 пучках лазерного излучения;

В Евросоюзе создается мощная лазерная установка HiPER (High Power laser Energy Research) с энергией 0,3-0,5 МДж, функционирование которой требует производства и доставки топливных мишеней с высокой частотой >1 Гц;

В Лаборатории лазерной энергетики США действует лазерная установка OMEGA, энергия лазера – 30 кДж энергии сосредоточено в шестидесяти пучках лазерного излучения;

В Военно-морской лаборатории (NRL) США построен самый мощный в мире криптон-фторовый лазер NIKE с энергией от 3 до 5 кДж в пятидесяти шести пучках лазерного излучения;

В Японии в Лаборатории лазерной техники университета города Осаки действует многопучковая лазерная установка GEKKO-XII, энергия лазера – 15-30 кДж;

В Китае действует установка SG-III с энергией лазера 200 кДж в шестидесяти четырех пучках лазерного излучения;

В Российском федеральном ядерном центре – ВНИИ экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров) действуют установки ИСКРА-5 (двенадцать пучков лазерного излучения) и ЛУЧ (четыре пучка лазерного излучения). Энергия лазера в этих установках составляет 12-15 кДж. Здесь же в 2012 году начато строительство новой установки УФЛ-2М с энергией лазера 2,8 МДж в 192 пучках. Планируется, что запуск этого, самого мощного в мире, лазера произойдет в 2020 году.

Целью работы перечисленных установок ИТС является демонстрация технической рентабельности ИТС, когда энергия, выделившаяся в термоядерных реакциях, превышает всю вложенную энергию. На сегодняшний день продемонстрирован так называемый scientific breakeven, то есть научная рентабельность ИТС: энергия, выделившаяся в термоядерных реакциях, впервые превзошла энергию, вложенную в сжатие и нагрев топлива.

– По вашей оценке, установки, использующие управляемый термоядерный синтез, могут быть экономически выгодными уже сегодня? Могут ли они составить реальную конкуренцию действующим станциям?

Владимир Николаев : Управляемый термоядерный синтез – это реальный конкурент таких испытанных источников энергии, как углеводородное топливо и атомные электростанции, поскольку запасы топлива для электростанции УТС практически неисчерпаемы. Количество тяжелой воды, содержащей дейтерий, в мировом океане составляет около ~1015 тонн. Литий, из которого нарабатывается второй компонент термоядерного топлива, тритий, уже сейчас производится в мире десятками тысяч тонн в год и стоит недорого. При этом 1 грамм дейтерия может дать энергии в 10 миллионов раз больше, чем 1 грамм угля, а 1 грамм смеси дейтерий-тритий даст столько же энергии, сколько 8 тонн нефти.

Кроме того, реакции синтеза являются более мощным источником энергии, чем реакции деления урана-235: при термоядерном синтезе дейтерия и трития выделяется в 4,2 раза больше энергии, чем при делении такой же массы ядер урана-235.

Утилизация отходов на АЭС – сложнейший и дорогой технологический процесс, в то время как термоядерный реактор практически безотходен и, соответственно, чист.

Отметим также немаловажный аспект эксплуатационных характеристик ИТЭС, таких, как адаптивность системы к изменению энергетических режимов. В отличие от АЭС, процесс снижения мощности в ИТЭС примитивно прост – достаточно снизить частоту подачи термоядерных топливных мишеней в камеру реактора. Отсюда еще одно важное достоинство ИТЭС в сравнении с традиционной АЭС: ИТЭС является более маневренной. Возможно, в будущем это позволит использовать мощные ИТЭС не только в «базовой» части графика нагрузки энергосистемы, наряду с мощными «базовыми» ГЭС и АЭС, но также рассматривать ИТЭС в качестве максимально маневренных «пиковых» электростанций, обеспечивающих устойчивую работу крупных энергосистем. Либо использовать ИТЭС в период суточных пиков нагрузки электросистемы, когда имеющихся в наличии мощностей других станций не хватает.

– Проводятся ли сегодня в России или других странах научные разработки по созданию конкурентной, экономически выгодной и безопасной инерциальной термоядерной энергетической станции?

Елена Корешева : В США, Европе и Японии уже существуют долгосрочные национальные программы построения к 2040 году электростанции, действующей на основе ИТС. Планируется, что выход на оптимальные технологии произойдет к 2015-2018 годам, а демонстрация работы пилотной установки в непрерывном режиме выработки электроэнергии – к 2020-2025 году. В Китае действует программа построения и запуска в 2020 году лазерной установки реакторного масштаба SG-IV с энергией лазера 1,5 МДж.

Напомним, что для обеспечения непрерывного режима генерации энергии подача топлива в центр камеры реактора ИТЭС и одновременная подача туда лазерного излучения должны осуществляться с частотой 1-10 Герц.

В Военно-морской лаборатории (NRL) США для отработки реакторных технологий создана установка ELEKTRA, действующая c частотой 5 Гц при энергии лазера 500-700 Джоулей. К 2020 году планируется увеличить энергию лазера в тысячу раз.

Мощная опытная установка ИТС с энергией 0,3-0,5 МДж, которая будет работать в частотном режиме, создается в рамках Европейского проекта HiPER. Цель этой программы: демонстрация возможности получения энергии термоядерного синтеза в частотном режиме, как это характерно для работы инерциальной термоядерной энергетической станции.

Отметим здесь также государственный проект Республики Южная Корея по созданию инновационного мощного частотного лазера в Корейском Прогрессивном физико-техническом институте KAIST.

В России, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева, разработан и продемонстрирован уникальный метод FST, который является перспективным путем решения проблемы частотного формирования и доставки криогенных топливных мишеней в реактор ИТС. Здесь также создано лабораторное оборудование, которое моделирует весь процесс приготовления реакторной мишени − от ее заполнения топливом до осуществления частотной доставки в лазерный фокус. По заказу программы HiPER специалисты ФИАН разработали проект фабрики мишеней, работающей на основе метода FST и обеспечивающей непрерывное производство топливных мишеней и их частотную доставку в фокус экспериментальной камеры HiPER.

В США существует долгосрочная программа LIFE, нацеленная на построение к 2040 году первой электростанции ИТС. Программа LIFE будет развиваться на основе действующей в США мощной лазерной установки NIF с энергией лазера 1,8 МДж.

Отметим, что в последние годы исследования по взаимодействию очень интенсивного (1017-1018 Вт/см 2 и выше) лазерного излучения с веществом привели к открытию новых, ранее неизвестных физических эффектов. Это возродило надежды на осуществление простого и эффективного способа зажигания термоядерной реакции в несжатом топливе плазменными блоками (так называемый side-on ignition), который был предложен еще более тридцати лет назад, но не мог быть реализован при имевшемся тогда технологическом уровне. Для реализации данного подхода необходим лазер с пикосекундной длительностью импульса и мощностью 10-100 петаВатт. Сейчас исследования по этой тематике интенсивно ведутся во всем мире, лазеры мощностью 10 петаватт (ПВт) уже построены. Например, это лазерная установка VULCAN в лаборатории Резерфорда и Апплтона в Великобритании. Как показывают расчеты, при использовании такого лазера в ИТС вполне достижимы условия зажигания для безнейтронных реакций, таких, как протон-бор или протон-литий. В этом случае в принципе снимается проблема радиоактивности.

В рамках УТС альтернативной технологией по отношению к инерциальному термоядерному синтезу является магнитный термоядерный синтез. Данная технология развивается в мире параллельно с ИТС, например в рамках международной программы ITER. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора ITER на основе системы типа ТОКАМАК осуществляется на юге Франции в исследовательском центре Кадараш. С российской стороны в проекте ITER заняты многие предприятия Рос­атома и других ведомств под общей координацией учрежденного Росатомом «Проектного центра ITER». Целью создания ITER является изучение условий, которые должны выполняться при работе энергетических термоядерных установок, а также создание на этой основе экономически выгодных электростанций, которые по размерам будут превосходить ITER по крайней мере на 30 процентов в каждом из измерений.

Перспективы в России есть

– А что может помешать успешному построению термоядерной электростанции в России?

Владимир Николаев : Как уже упоминалось, существует два направления развития УТС: c магнитным и инерциальным удержанием плазмы. Для успешного решения задачи построения термоядерной электростанции оба направления должны развиваться параллельно в рамках соответствующих федеральных программ, а также российских и международных проектов.

Россия уже участвует в международном проекте создания первого опытного образца реактора УТС – это проект ITER, относящийся к магнитному термоядерному синтезу.

Что касается электростанции на основе ИТС, то такой государственной программы в России пока нет. Отсутствие финансирования в данной области может привести к значительному отставанию России в мире и к потере существующих приоритетов.

Наоборот, при условии соответствующих финансовых вложений открываются реальные перспективы построения инерциальной термоядерной электростанции, или ИТЭС, на территории России.

– Есть ли перспективы построения инерциальной термоядерной энергетической станции в России при условии адекватных финансовых вложений?

Елена Корешева : Перспективы есть. Давайте разберемся в этом подробнее.

ИТЭС состоит из четырех принципиально необходимых частей:

1. Камера сгорания, или реакторная камера, где происходят термо­ядерные микровзрывы, и их энергия передается теплоносителю.

2. Драйвер – мощный лазер, или ускоритель ионов.

3. Фабрика мишеней – система подготовки и ввода топлива в реакторную камеру.

4. Тепло-электротехническое оборудование.

Топливом для такой станции будет служить дейтерий и тритий, а также литий, входящий в состав стенки реакторной камеры. Тритий в природе не существует, но в реакторе он образуется из лития при его взаимодействии с нейтронами термоядерных реакций. Количество тяжелой воды, содержащей дейтерий в Мировом океане, как уже здесь говорилось, составляет около ~1015 тонн. С практической точки зрения – это бесконечная величина! Извлечение дейтерия из воды – это хорошо отработанный и дешевый процесс. Литий – это доступный и достаточно дешевый элемент, содержащийся в земной коре. При использовании лития в ИТЭС его хватит на несколько сот лет. К тому же в более отдаленной перспективе, по мере развития технологии мощных драйверов (то есть лазеров, ионных пучков), предполагается осуществлять термоядерную реакцию на чистом дейтерии или на топливной смеси, содержащей лишь малое количество трития. Следовательно, стоимость топлива будет давать очень малый вклад, менее 1 процента, в стоимость вырабатываемой термоядерной электростанцией энергии.

Камера сгорания ИТЭС – это, грубо говоря, 10-метровая сфера, на внутренней стенке которой обеспечивается циркуляция жидкого, а в некоторых вариантах станций порошкообразного теплоносителя, например лития, который одновременно используется как для съема энергии термоядерного микровзрыва, так и для наработки трития. Кроме того, в камере предусмотрено необходимое количество входных окон для ввода мишеней и излучения драйвера. Конструкция напоминает корпуса мощных ядерных реакторов или некоторых промышленных установок химического синтеза, практический опыт создания которых имеется. Здесь еще предстоит решить много проблем, но фундаментальных ограничений нет. Некоторые наработки по материалам такой конструкции и отдельным узлам уже существуют, в частности, в проекте IТER.

Тепло-электротехническое оборудование – это достаточно хорошо отработанные технические устройства, которые уже давно используются на АЭС. Естественно, и на термоядерной станции эти системы будут иметь сопоставимую стоимость.

Что касается наиболее сложных систем ИТЭС – драйверов и фабрики мишеней, то в России существует хороший задел, необходимый для принятия государственной программы по ИТЭС и осуществления ряда проектов как в коллаборации с российскими институтами, так и в рамках международного сотрудничества. С этой точки зрения важным моментом являются те методы и технологии, которые уже развиты в российских исследовательских центрах.

В частности, Российский федеральный ядерный центр в Сарове обладает приоритетными наработками в области создания мощных лазеров, производства единичных топливных мишеней, диагностики лазерных систем и термоядерной плазмы, а также компьютерного моделирования процессов, происходящих в ИТС. В настоящее время в РФЯЦ-ВНИИЭФ реализуется программа УФЛ-2М построения самого мощного в мире лазера с энергией 2,8 МДж. В программе принимает участие и ряд других российских организаций, в том числе Физический институт им. П. Н. Лебедева. Успешное выполнение программы УФЛ-2М, начатой в 2012 году, – это еще один большой шаг России на пути освоения энергии термоядерного синтеза.

В Российском научном центре «Курчатовский институт» (Москва) совместно с Политехническим университетом Санкт-Петербурга были проведены исследования в области доставки криогенного топлива с помощью пневматического инжектора, которые уже сейчас используются в системах магнитного термоядерного синтеза, таких, как ТОКАМАК; исследованы различные системы защиты топливных мишеней в процессе их доставки в камеру реактора ИТС; исследована возможность широкого практического использования ИТС в качестве мощного источника нейтронов.

В Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (Москва) имеются необходимые наработки в области создания фабрики реакторных мишеней. Здесь разработана уникальная технология частотного производства топливных мишеней и создан прототип фабрики мишеней, работающей с частотой 0,1 Гц. Здесь также созданы и исследованы различные системы доставки мишеней, включая гравитационный инжектор, электромагнитный инжектор, а также новые устройства транспортировки, работающие на основе квантовой левитации. Наконец, здесь развиты технологии высокоточного контроля качества мишени и ее диагностики в процессе доставки. Часть этих работ выполнена в коллаборации с ранее упомянутыми центрами ИТС в рамках десяти международных и российских проектов.

Однако необходимым условием реализации развитых в России методов и технологий является принятие долгосрочной Федеральной целевой программы по ИТС и ее финансирование.

– Каков, по вашему мнению, должен быть первый шаг к освоению термоядерной энергетики на основе ИТС?

Владимир Николаев : Первым шагом может стать проект «Разработка механического макета реактора и прототипа ФАБРИКИ МИШЕНЕЙ для частотного пополнения криогенным топливом энергетической станции, работающей на основе инерциального термоядерного синтеза», предложенного Центром энергоэффективности «ИНТЕР РАО ЕЭС» совместно с Физическим институтом им. П. Н. Лебедева и НИЦ Курчатовский институт. Результаты, полученные в проекте, позволят России не только завоевать стабильный приоритет в мире в области УТС, но и вплотную подойти к построению коммерческой электростанции на основе ИТС.

Уже сейчас ясно, что будущие ИТЭС должны строиться большой единичной мощности – как минимум, несколько гигаватт. При таком условии они будут вполне конкурентоспособны с современными АЭС. Кроме того, будущая термоядерная энергетика позволит снять острейшие проблемы ядерной энергетики – опасность радиационной аварии, захоронение высокоактивных отходов, удорожание и исчерпание топлива для АЭС и др. Заметим, что инерциальная термоядерная электростанция с тепловой мощностью 1 гигаватт (ГВт) с точки зрения радиационной опасности эквивалентна реактору деления мощностью всего 1 кВт!

– В каких регионах целесообразно размещать ИТЭС? Место инерциальной термоядерной энергетической станции в энергетической системе России?

Владимир Николаев : Как уже говорилось выше, в противоположность ТЭС (ГРЭС, ТЭЦ, КЭС) место размещения ИТЭС не зависит от местоположения источников топлива. Ее годовая потребность в подвозе топлива составляет, примерно, 1 тонну, причем это безопасные и легко транспортируемые материалы.

Атомные реакторы нельзя располагать вблизи густонаселенных районов в связи с опасностью аварии. Эти ограничения, характерные для АЭС, отсутствуют при выборе места расположения ИТЭС. ИТЭС может быть расположена вблизи крупных городов и промышленных центров. Это снимает проблему подключения станции к единой энергосистеме. Кроме того, для ИТЭС отсутствуют недостатки, связанные со сложностью строительства и эксплуатации АЭС, а также с трудностями, связанными с переработкой и захоронением ядерных отходов и демонтажем ядерных установок АЭС.

ИТЭС может размещаться в отдаленных, малонаселенных и труднодоступных районах и работать автономно, обеспечивая энергоемкие технологические процессы, такие, как, например, производство алюминия и цветных металлов в Восточной Сибири, Магаданской области и Чукотке, якутских алмазов и многого другого.

Термоядерный реактор, еще не работает и заработает нескоро. Но ученые уже точно знают, как он устроен.

Теория

В качестве топлива для термоядерного реактора может выступать Гелий-3 , один из изотопов гелия. Он редко встречается на Земле, но его очень много на Луне. На этом строится сюжет одноименного фильма Дункана Джонса . Если вы читаете эту статью, то фильм вам точно понравится.

Реакция ядерного синтеза - это когда два маленьких атомных ядра слепляются в одно большое. Это реакция, обратная . Например, можно столкнуть два ядра водорода, чтобы получить гелий.

При такой реакции выделяется огромное количество энергии благодаря разности масс: масса частиц до реакции больше, чем масса полученного большого ядра. Эта масса и превращается в энергию благодаря .

Но для того, чтобы произошло слияние двух ядер, надо преодолеть их силу электростатического отталкивания и сильно прижать друг к другу. А на маленьких расстояниях, порядка размера ядер, действуют уже гораздо большие ядерные силы , благодаря которым ядра притягиваются друг к другу и объединяются в одно большое ядро.

Поэтому реакция термоядерного синтеза может проходить только при очень больших температурах, чтобы скорость ядер была такой, что при столкновении им хватило энергии настолько приблизиться друг к другу, чтобы заработали ядерные силы и произошла реакция. Вот откуда в названии взялось «термо-».

Практика

Где энергия, там и оружие. Во время холодной войны СССР и США разработали термоядерные (или водородные) бомбы. Это самое разрушительное оружие, созданное человечеством, в теории оно может уничтожить Землю .

Как раз температура и является основным препятствием использовать термоядерную энергию на практике. Не существует материалов, которые смогут удержать такую температуру и не расплавиться.

Но выход есть, можно удерживать плазму благодаря сильному . В специальных устройствах токамаках плазму могут удержать в форме бублика огромные мощные магниты.

Термоядерная электростанция безопасна, экологически чиста и очень экономична. Она может решить все энергетические проблемы человечества. Дело за малым - научиться строить термоядерные электростанции.

Международный экспериментальный термоядерный реактор

Построить термоядерный реактор очень сложно, и очень дорого. Для решения такой грандиозной задачи объединились усилия ученых нескольких стран: России, США, стран ЕС, Японии, Индии, Китая, Республики Корея и Канады.

Сейчас строится экспериментальный токамак во Франции, стоить он будет примерно 15 миллиардов долларов, по планам он будет закончен к 2019 году и до 2037 на нем будут проводиться эксперименты. Если они будут успешными, то, может, мы еще успеем пожить в счастливую эпоху термоядерной энергии.

Так что сосредоточьтесь посильнее и начинайте с нетерпением ждать результатов экспериментов, это вам не второй iPad ждать - на кону будущее человечества.

Сегодня многие страны принимают участие в термоядерных исследованиях. Лидерами являются Европейский союз, США, Россия и Япония, а программы Китая, Бразилии, Канады и Кореи стремительно наращиваются. Первоначально термоядерные реакторы в США и СССР были связаны с разработкой ядерного оружия и оставались засекреченными до конференции «Атомы для мира», которая состоялась в Женеве в 1958 году. После создания советского токамака исследования ядерного синтеза в 1970 годы стали «большой наукой». Но стоимость и сложность устройств увеличивалась до точки, когда международное сотрудничество стало единственной возможностью продвигаться вперед.

Термоядерные реакторы в мире

Начиная с 1970 годов, начало коммерческого использования энергии синтеза постоянно отодвигалось на 40 лет. Однако в последние годы произошло многое, благодаря чему этот срок может быть сокращен.

Построено несколько токамаков, в том числе европейский JET, британский MAST и экспериментальный термоядерный реактор TFTR в Принстоне, США. Международный проект ITER в настоящее время находится в стадии строительства в Кадараше, Франция. Он станет самым крупным токамаком, когда заработает в 2020 годах. В 2030 г. в Китае будет построен CFETR, который превзойдет ITER. Тем временем КНР проводит исследования на экспериментальном сверхпроводящем токамаке EAST.

Термоядерные реакторы другого типа - стеллаторы - также популярны у исследователей. Один из крупнейших, LHD, начал работу в японском Национальном институте в 1998 году. Он используется для поиска наилучшей магнитной конфигурации удержания плазмы. Немецкий Институт Макса Планка в период с 1988 по 2002 год проводил исследования на реакторе Wendelstein 7-AS в Гархинге, а в настоящее время - на Wendelstein 7-X, строительство которого длилось более 19 лет. Другой стелларатор TJII эксплуатируется в Мадриде, Испания. В США Принстонская лаборатория (PPPL), где был построен первый термоядерный реактор данного типа в 1951 году, в 2008 году остановила строительство NCSX из-за перерасхода средств и отсутствия финансирования.

Кроме того, достигнуты значительные успехи в исследованиях инерциального термоядерного синтеза. Строительство National Ignition Facility (NIF) стоимостью 7 млрд $ в Ливерморской национальной лаборатории (LLNL), финансируемое Национальной администрацией по ядерной безопасности, было завершено в марте 2009 г. Французский Laser Mégajoule (LMJ) начал работу в октябре 2014 года. Термоядерные реакторы используют доставленные лазерами в течение нескольких миллиардных долей секунды около 2 млн джоулей световой энергии в цель размером в несколько миллиметров для запуска реакции ядерного синтеза. Основной задачей NIF и LMJ являются исследования по поддержке национальных военных ядерных программ.

ITER

В 1985 г. Советский Союз предложил построить токамак следующего поколения совместно с Европой, Японией и США. Работа велась под эгидой МАГАТЭ. В период с 1988 по 1990 год были созданы первые проекты Международного термоядерного экспериментального реактора ITER, что также означает «путь» или «путешествие» на латыни, с целью доказать, что синтез может вырабатывать больше энергии, чем поглощать. Канада и Казахстан также приняли участие при посредничестве Евратома и России соответственно.

Через 6 лет совет ITER одобрил первый комплексный проект реактора на основе устоявшейся физики и технологии стоимостью 6 млрд $. Тогда США вышли из консорциума, что вынудило вдвое сократить затраты и изменить проект. Результатом стал ITER-FEAT стоимостью 3 млрд долл., но позволяющий достичь самоподдерживающей реакции и положительного баланса мощности.

В 2003 г. США вновь присоединились к консорциуму, а Китай объявил о своем желании в нем участвовать. В результате в середине 2005 года партнеры договорились о строительстве ITER в Кадараше на юге Франции. ЕС и Франция вносили половину от 12,8 млрд евро, а Япония, Китай, Южная Корея, США и Россия - по 10% каждый. Япония предоставляла высокотехнологичные компоненты, содержала установку IFMIF стоимостью 1 млрд евро, предназначенную для испытания материалов, и имела право на возведение следующего тестового реактора. Общая стоимость ITER включает половину затрат на 10-летнее строительство и половину - на 20 лет эксплуатации. Индия стала седьмым членом ИТЭР в конце 2005 г.

Эксперименты должны начаться в 2018 г. с использованием водорода, чтобы избежать активации магнитов. Использование D-T плазмы не ожидается ранее 2026 г.

Цель ITER - выработать 500 МВт (хотя бы в течение 400 с), используя менее 50 МВт входной мощности без генерации электроэнергии.

Двухгигаваттная демонстрационная электростанция Demo будет производить крупномасштабное на постоянной основе. Концептуальный дизайн Demo будет завершен к 2017 году, а его строительство начнется в 2024 году. Пуск состоится в 2033 году.

JET

В 1978 г. ЕС (Евратом, Швеция и Швейцария) начали совместный европейский проект JET в Великобритании. JET сегодня является крупнейшим работающим токамаком в мире. Подобный реактор JT-60 работает в японском Национальном институте термоядерного синтеза, но только JET может использовать дейтерий-тритиевое топливо.

Реактор был запущен в 1983 году, и стал первым экспериментом, в результате которого в ноябре 1991 года был проведен управляемый термоядерный синтез мощностью до 16 МВт в течение одной секунды и 5 МВт стабильной мощности на дейтерий-тритиевой плазме. Было проведено множество экспериментов с целью изучения различных схем нагрева и других техник.

Дальнейшие усовершенствования JET касаются повышения его мощности. Компактный реактор MAST разрабатывается вместе с JET и является частью проекта ITER.

K-STAR

K-STAR - корейский сверхпроводящий токамак Национального института термоядерных исследований (NFRI) в Тэджоне, который произвел свою первую плазму в середине 2008 года. ITER, являющийся результатом международного сотрудничества. Токамак радиусом 1,8 м - первый реактор, использующий сверхпроводящие магниты Nb3Sn, такие же, которые планируется использовать в ITER. В ходе первого этапа, завершившегося к 2012 году, K-STAR должен был доказать жизнеспособность базовых технологий и достигнуть плазменных импульсов длительностью до 20 с. На втором этапе (2013-2017) проводится его модернизация для изучения длинных импульсов до 300 с в режиме H и перехода к высокопроизводительному AT-режиму. Целью третьей фазы (2018-2023) является достижение высокой производительности и эффективности в режиме длительных импульсов. На 4 этапе (2023-2025) будут испытываться технологии DEMO. Устройство не способно работать с тритием и D-T топливо не использует.

K-DEMO

Разработанный в сотрудничестве с Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США и южно-корейским институтом NFRI, K-DEMO должен стать следующим шагом на пути создания коммерческих реакторов после ITER, и будет первой электростанцией, способной генерировать мощность в электрическую сеть, а именно 1 млн кВт в течение нескольких недель. Его диаметр составит 6,65 м, и он будет иметь модуль зоны воспроизводства, создаваемый в рамках проекта DEMO. Министерство образования, науки и технологий Кореи планирует инвестировать в него около триллиона корейских вон (941 млн $).

EAST

Китайский экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) в Институте физики Китая в Хефее создал водородную плазму температурой 50 млн °C и удерживал ее в течение 102 с.

TFTR

В американской лаборатории PPPL экспериментальный термоядерный реактор TFTR работал с 1982 по 1997 годы. В декабре 1993 г. TFTR стал первым магнитным токамаком, на котором производились обширные эксперименты с плазмой из дейтерий-трития. В следующем году реактор произвел рекордные в то время 10,7 МВт управляемой мощности, а в 1995 году был достигнут рекорд температуры в 510 млн °C. Однако установка не достигла цели безубыточности энергии термоядерного синтеза, но с успехом выполнила цели проектирования аппаратных средств, сделав значительный вклад в развитие ITER.

LHD

LHD в японском Национальном институте термоядерного синтеза в Токи, префектура Гифу, был самым большим стелларатором в мире. Запуск термоядерного реактора состоялся в 1998 г., и он продемонстрировал качества удержания плазмы, сравнимые с другими крупными установками. Была достигнута температура ионов 13,5 кэВ (около 160 млн °C) и энергия 1,44 МДж.

Wendelstein 7-X

После года испытаний, начавшихся в конце 2015 года, температура гелия на короткое время достигла 1 млн °C. В 2016 г. термоядерный реактор с водородной плазмой, используя 2 МВт мощности, достиг температуры 80 млн °C в течение четверти секунды. W7-X является крупнейшим стелларатором в мире и планируется его непрерывная работа в течение 30 минут. Стоимость реактора составила 1 млрд €.

NIF

National Ignition Facility (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) был завершен в марте 2009 года. Используя свои 192 лазерных лучей, NIF способен сконцентрировать в 60 раз больше энергии, чем любая предыдущая лазерная система.

Холодный ядерный синтез

В марте 1989 года два исследователя, американец Стенли Понс и британец Мартин Флейшман, заявили, что они запустили простой настольный холодный термоядерный реактор, работающий при комнатной температуре. Процесс заключался в электролизе тяжелой воды с использованием палладиевых электродов, на которых ядра дейтерия концентрировались с высокой плотностью. Исследователи утверждают, что производилось тепло, которое можно было объяснить только с точки зрения ядерных процессов, а также имелись побочные продукты синтеза, включая гелий, тритий и нейтроны. Однако другим экспериментаторам не удалось повторить этот опыт. Большая часть научного сообщества не считает, что холодные термоядерные реакторы реальны.

Низкоэнергетические ядерные реакции

Инициированные претензиями на «холодный термоядерный синтез», исследования продолжились в области низкоэнергетических имеющих некоторую эмпирическую поддержку, но не общепринятое научное объяснение. По-видимому, для создания и захвата нейтронов используются слабые ядерные взаимодействия (а не мощная сила, как при или их синтезе). Эксперименты включают проникновение водорода или дейтерия через каталитический слой и реакцию с металлом. Исследователи сообщают о наблюдаемом высвобождении энергии. Основным практическим примером является взаимодействие водорода с порошком никеля с выделением тепла, количество которого больше, чем может дать любая химическая реакция.