Наука
Дмитрий Новик

Создать звезду на Земле — как люди пытаются освоить идеальный источник энергии без отходов и вреда природе

Термоядерная энергия может стать решением всех энергетических проблем человечества, но пока успехи измеряются секундами, а затраты превышают миллиарды евро.

Корейский термоядерный реактор KSTAR Фото National Research Council of Science & Technology

В 2021 году Китай и США заявили о серьёзных успехах в термоядерных испытаниях. Азиатские учёные добились рекордного времени термоядерной реакции, а американцы вернули более 70% затраченной на процесс энергии. В экспериментах использовались разные технологии, что внушает исследователям оптимизм — они рассчитывают на здоровую конкуренцию.

В России в мае 2021 года запустили новую термоядерную установку Т-15МД, которая работает в рамках международного проекта по созданию экспериментального реактора ITER. Учёные создают устройство, которое в теории поможет людям применять термоядерный синтез в электроснабжении городов.

Несмотря на успехи последних лет, до устойчивой термоядерной реакции ещё далеко — исследователи рассчитывают, что к 2050 году термоядерные реакторы станут безопасной альтернативой многим существующим видам энергоснабжения. Пока термоядерный синтез — очень дорогой и сложный процесс.

Почему человечеству нужен термоядерный синтез

Термоядерный синтез серьёзно отличается от процессов в традиционной атомной энергетике, которую люди освоили больше 70 лет назад. В «обычных» реакторах происходит распад ядер атомов тяжёлых металлов под воздействием элементарных частиц (например, нейтронов). Ядро делится на два или три новых и нейтроны взаимодействуют уже с ними. Так реакция поддерживает сама себя.

В термоядерной реакции всё по-другому: ядра атомов сливаются, выделяя огромное количество энергии. При этом «спекание» происходит при очень высокой температуре — десятки или сотни миллионов градусов. Подобные процессы протекают в звёздах.

При термоядерном синтезе радиоактивные вещества применяются в малых количествах, либо вовсе не нужны. В реакторах сливаются атомы (изотопы) водорода — нерадиоактивный дейтерий и радиоактивный тритий. Первый безвреден, а концентрация второго настолько мала, что радиоактивный фон от вещества обычно не превышает природный.

Безопасность считают главным плюсом контролируемой термоядерной реакции. Традиционную ядерную энергетику критикуют: добыча редких полезных ископаемых вредит планете, а человечество не умеет эффективно утилизировать отработанное топливо. Аварии в Чернобыле и Фукусиме, породили новые страхи — люди боятся катастроф на АЭС из-за которых приходится покидать целые регионы, а ликвидаторам страдать от последствий облучения.

В Германии с начала 2000-ых власти работают над закрытием АЭС. Демонтаж каждой стоит десятки миллионов евро Фото Rheinisch-Westfälisches Elektrizitätswerk

Отработанное топливо копят в специальных могильниках, которыми стали старые шахты или специально построенные подземные склады. Часть отходов перерабатывается, но опасного мусора всё ещё много. Экоактивисты и «зелёные» политики видят в переработке проблему — из топлива разобранных АЭС можно сделать материалы для ядерного оружия, что противоречит идее мирного атома.

Технологии переработки отработанного ядерного топлива в мирных целях существуют несколько десятилетий, но технологический процесс дорогой и сложный. Проблемой остаётся и время, за которое отходы перестанут быть опасными. Могильники проектируют на сотни тысяч лет, а работают АЭС обычно не больше 60.

Термоядерный синтез может решить проблему нагревания планеты от деятельности человека. Изменения климата — одна из серьёзных проблем, над решением которой работают и власти, и энергетические компании. Давление экологов заставляет бизнес искать новые, более экологичные методы выработки энергии.

Лопасти ветрогенераторов десятилетиями делали из композитных материалов, которые не всегда можно переработать. Захоронения не наносят вреда природе, но не соответствуют принципам постоянного вторичного использования Фото Бенджамина Расмуссена

К 2020-ым проблема демонтажа устаревших электростанций всех видов потребовала компании вкладывать миллионы в ликвидацию строений и оборудования. Сложности возникают не только в устаревших АЭС, ГЭС и ТЭС, но и в технологиях возобновляемой энергетики.

Власти Европы и США регулируют правила переработки ветрогенераторов и солнечных панелей, но часть отходов приходится отправлять на свалки. Вопросы вызывает и эффективность ветряков и солнечных панелей —оборудование вырабатывает энергию только 30-40% всего времени.

Подобного недостатка лишена геотермальная энергетика. Плюсы перекрывают существенные минусы: ГеоТЭС эффективны в сейсмически активных зонах и постройке предшествует сложная дорогостоящая разведка. Вредные выбросы подобных станций ниже примерно на 70% по сравнению со сжиганием газа или угля.

Развивающиеся страны особенно внимательно следят за возобновляемыми источниками энергии. Один из лидеров по использованию геотермальных станций — Индонезия  Фото компании KS Orka

Термоядерный синтез в теории объединяет плюсы возобновляемой и атомной энергетики. Исследователи говорят о безопасном постоянном производстве энергии в любом месте, где можно возвести реактор.

Бомба, токамак и лазер — как человечество осваивает термоядерный синтез

Понимание термоядерной реакции у учёных появилось ещё в 1930-ых — европейские физики рассчитали массы лёгких элементов, при слиянии которых образуется большое количество энергии. Позже исследователи выделили самые распространённые изотопы водорода: дейтерий и тритий.

Изотопы — атомы одного элемента с разным числом нейтронов в ядре. Протоны и нейтроны образуют ядро, вокруг которого движутся электроны. Количество протонов будет одинаковым, а нейтронов может и не быть Иллюстрация NIDC

Слияние изотопов водорода возможно в условиях, когда не сработает кулоновский барьер. Так называют электростатическое отталкивание ядер друг от друга. Для преодоления сопротивления вещества разогревают до десятков миллионов градусов, чтобы они перешли в состояние плазмы.

К 1952 году человечество освоило термоядерную реакцию в военных целях. Сперва армия США взорвала устройство, где уменьшенная атомная бомба зажигала термоядерную реакцию. В следующем году власти СССР подорвали водородную бомбу РДС-6с, первое в мире термоядерное взрывное устройство, которое можно было уместить в самолёт.

Параллельно военным разработкам учёные работали над мирным использованием термоядерной реакции. В 1956 году И.В. Курчатов выступил в Англии с докладом о теоретических и практических наработках по управлению термоядерным синтезом, что стало началом международного сотрудничества.

Сейчас людям известны два способа генерации энергии от управляемой термоядерной реакции с изотопами водорода: непрерывный и импульсный. В первом случае учёные пользуются токамаками («тороидальная камера с магнитными катушками») и стеллараторами. Устройства несколько отличаются друг от друга, но в основе лежит один принцип магнитного удержания плазмы.

Большинство токамаков напоминают бублик: округлая вакуумная камера с магнитами внутри, которые создают поле для удержания плазмы. Магниты могут быть сверхпроводящими, то есть проводить ток почти без потерь при определённых условиях.

В токамаке создаётся вакуум и внутрь закачивается смесь дейтерия и трития. При нагреве веществ до десятков миллионов градусов по Цельсию образуется плазма, в которой происходит термоядерная реакция.

Токамаки сделаны из высокопрочной нержавеющей стали и внутри обшиты пластинами из углерода  Фото Korea Institute of Fusion Energy

Магнитное поле удерживает плазму от соприкосновения со стенками, а проходящий через него ток подогревает вещество для слияния атомов водорода. Так получается гелий и выделяется энергия.

Стелларатор тоже удерживает плазму, но работают только внешние магнитные поля и токи. Корпус устройства напоминает скрученное кольцо, на которое намотано несколько слоёв сверхпроводящих титановых катушек. Устройство придумали ещё в 1950-ых, но создать работающую конструкцию не получалось до начала 21 века.

Параметры современных стеллараторов рассчитывали с помощью компьютерного моделирования. В них магнитные поля как бы вложены друг в друга, поэтому плазма ведёт себя стабильнее. Стелларатор требует меньше энергии, но конструктивно намного сложнее токамака.

В Токамаке (слева) электрический ток в плазме поддерживают искусственно и он создает своё магнитное поле. Из-за этого может упасть температура или нарушиться целостность основного поля. Стеллараторы этого недостатка лишены

Импульсная термоядерная реакция устроена иначе: лазеры нагревают капсулу термоядерного топлива размером с горошину чёрного перца и сжимают её до диаметра человеческого волоса. Образуется что-то вроде взрывной волны и тогда изотопы водорода сливаются, образуя гелий и высвобождая энергию.

Существует иной подход к импульсной термоядерной реакции: канадские учёные из General Fusion собираются ввести в расплавленный свинец плазменную смесь дейтерия и трития, при этом равномерно сжимая её со всех сторон. Удерживать плазму по-прежнему будет магнитное поле, а давление обеспечат сотни специальных поршней.

ITER — объединение стран для совместного термоядерного синтеза

Термоядерный синтез — дорогостоящий процесс, сильно зависящий от стабильного финансирования. Коммерческое использование токамаков или импульсных установок пока лишено смысла для энергетических компаний, поэтому главным спонсором исследований уже больше 50 лет являются власти.

В 1985 году генеральный секретарь ЦК КПСС Михаил Горбачёв и президент США Рональд Рейган подписали соглашение о совместном создании международного термоядерного экспериментального реактора (International Thermonuclear Experimental Reactor). Позже к ITER присоединилась Япония, Евросоюз, Китай, Корея и Индия.

Договорённость Рейгана и Горбачёва многие воспринял как один из сигналов об окончании Холодной войны Фото Corbis

Страны-участники строят ITER как тестовую площадку, на которой реализуют управляемый процесс постоянного производства плазмы и самовоспроизведения трития. Финальная цель проекта — получить энергии в 10 раз больше, чем затрачено на производство плазмы и получить фактические данные для расчёта проектной мощности коммерческих токамаков.

Строится реактор во Франции с 2007 года, при этом некоторые составные части производятся в Корее, Китае и России. Стоимость проекта с первоначальных пяти миллирдов евро выросла до 20. Первый пуск ITER ожидают в 2025 году, а на проектную мощность реактор выйдет к 2035.

Конструктивно ITER — классический токамак высотой 73 метра. Стабильность плазмы зависит от геометрических параметров камеры, поэтому международный реактор в несколько раз больше аналогов Фото ITER Organization

Власти верят в успех ITER. Сейчас Европа обеспечивает больше 45% расходов на строительство, поскольку во многих странах правительство либо отказалось от традиционной атомной энергетики, либо готовят планы по демонтажу АЭС. Другие страны вкладывают в проект меньше, но активно заняты в производстве деталей для токамака.

Бывают моменты, когда страны решают перешагнуть различия между собой, чтобы встретить особые исторические события. Принятое в середине 2000-х годов решение о запуске проекта ИТЭР было одним из таких моментов. ИТЭР — гарантия мира.

Эммануэль Макрон

Каждая страна проводит и собственные эксперименты, результатами которых делится с другими участниками. К 2021 году в мире насчитывается больше 250 токамаков и десятки других устройств, с помощью которых учёные пытаются осуществить термоядерный синтез.

Наиболее значимые устройства и их достижения

  • Объединённый европейский токамак JET (Joint European Torus): работает с 1980-ых и выделил больше всех энергии среди классических токамаков — 16 мегаватт.
  • Китайский токамак EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak): в работе с середины 2000-ых и ориентирован на длительность удержания разогретой плазмы. Держит текущий рекорд при самой высокой температуре: 101 секунда при 120 миллионах градусов по Цельсию.
  • Корейский токамак KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research): запущен в 2007 году как часть проекта ITER и конкурирует с EAST. Главная задача устройства — эксперименты с условиями, в которых протекает термоядерный синтез.
  • Российский токамак Т-15МД: запущен в 2021 году и будет работать как экспериментальный реактор в рамках проекта ITER, так и как площадка для выработки стабильного ядерного топлива.
  • Американский национальный комплекс лазерных термоядерных испытаний NIF (National Ignition Facility): запущен в 2000-ых как альтернатива токамакам и стеллараторам. До 2012 эксперименты заканчивались провалом, но после модернизации в 2018 исследователи добились наибольшей эффективности среди устройств для термоядерного синтеза.
  • Немецкий стелларатор Wendelstein 7-X: работает с середины 2010-ых, самый перспективный образец своего типа. Создан как тестовая площадка и теоретически не предполагает коммерческого использования.

Термоядерное будущее — что человечеству могут дать новые реакторы и почему их критикуют

Скептики говорят о термоядерном синтезе как о технологии, которую постоянно обещают реализовать через 20-30 лет. Человечество строит токамаки с 1950-ых и их конструкция существенно не меняется. Пока людям удалось вернуть 67% затраченной энергии для «бубликов» и 70% для импульсной термоядерной реакции.

У исследователей пока нет решения регулярной проблемы уборки образовавшегося в ходе реакции гелия, разогрева внутренних частей реактора и его ремонта. Сейчас токамаки чаще простаивают и их легко обслужить, но неясно как этот процесс возможен в промышленности. Особенно много вопросов вызывает ремонт дивертора — устройства, очищающего плазму от примесей.

В случае с ИТЭР всё возможно, поскольку температура внутри непостоянна. Токамак будет работать от одного до трёх процентов всего времени. Но это не подходящий вариант для электростанции, которая должна работать 24 часа в сутки и 7 дней в неделю. И если кто-то захочет построить токамак подобной мощности, но меньших габаритов, то я точно скажу, что у проблемы с обслуживанием дивертора нет решения.

Клаус Хеш

Впрочем, помимо проблемы обслуживания, у учёных нет полного понимания по практическому применению термоядерных реакторов. ITER Organization предлагает странам-участникам возвести реакторы DEMO, которые интегрируются непосредственно в электросеть.

Предполагается, что в «промежуточных» реакторах гелий задействуют в системе охлаждения, проверят методы передачи получившейся энергии в сеть и получат объективные данные для расчёта промышленной мощности подобных токамаков.

ITER будет нагревать воду, которую спустят в специальные отстойники-бассейны, а DEMO должен запускать мощные паровые турбины. На подобных токамаках учёные надеются проверить возможность постоянной и стабильной подачи энергии в обычные городские сети.

Страны самостоятельно работают над технологиями демонстрационных токамаков в рамках своей энергетической отрасли. Китай, Индия, Южная Корея, Евросоюз совместно с Японией, США представили свои проекты. При этом большинство стран намереваются построить эффективные термоядерные станции через 30 лет — к 2050 году.

Неопределённость и большие затраты на строительство термоядерных реакторов перекрываются очевидными плюсами, среди которых доступность материалов для реакции и безопасность электростанций. Дейтерий можно получить из морской воды, а тритий из отходов классических АЭС, что частично решает проблему переработки топлива.

Реакция синтеза происходит при больших энергозатратах и требует специальных условий. При нештатной ситуации, вероятнее всего, она прекратится сама по себе, а радиоактивные вещества быстро исчезнут.

При нормальной работе эффективность термоядерной реакции крайне высокая — синтез даёт около 170 миллиарда джоулей тепла на один грамм массы вещества, что составляет примерно 91000 киловатт-часов. Для одного грамма нефти этот показатель равен примерно 45 тысячам джоулей.

* * *

Термоядерный синтез — одна из сложнейших технологий, с которой работает человечество. В процессе много условностей и допущений. Например, относительно простая задача измерения температуры становится очень сложной в условиях работы с плазмой. Учёные пока не изобрели измерительных устройств, которые можно поместить в плазму и узнать её точную температуру.

Многие выводы делаются на основании косвенных данных и математических моделей. Развитие суперкомпьютеров и сложного моделирования помогает процессу — постройка Wendelstein 7-X была невозможна без создания тысяч виртуальных моделей и обработки полученных данных в цифровых средах. Такие же системы позволяют эмулировать нештатные режимы работы реакторов.

Если что пойдёт не так, если кто-то нажмёт не ту кнопку или самолёт врежется в электростанцию, то плазма просто перестанет существовать. Очень быстро, за доли секунды она «прилипнет» к стенке реактора.

Томас Клингер

Токамаки и стеллараторы сами по себе крайне сложные устройства, которые в будущем обрастут технологиями для передачи электричества в сеть городов и промышленных объектов. Успешный запуск хотя бы одного экспериментального DEMO вызовет массовое строительство других станций, как это произошло в 1950-ые с АЭС.

Разным учёным физикам приписывают шутку, что термоядерный синтез станет реальностью через 30 лет. Объясняется это темпами развития промышленности — после всех теоретических расчётов может не быть технологий, которые позволят построить новый токамак или другой тип реактора. Сегодня существует уже несколько разных устройств для термоядерного синтеза и исследователи надеются, что одно из них станет прорывом.

#физика #энергетика #технологии #лигаавторов

Статья создана участником Лиги авторов. О том, как она работает и как туда вступить, рассказано в этом материале.