Содержание
Термоядерный синтез в 2030-е годы может стать практической реальностью
Глобальное потепление и повестка дня, связанная с борьбой с ним, доминируют в мире. При этом однако в тени интересов общества остается вопрос термоядерного синтеза, который в принципе решает все энергетические и климатические проблемы человечества.
Атомная энергия – сначала это было расщепление ядра, а теперь слияние ядер – до сих пор остается главным шансом человечества на резкое сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу до нуля к 2050 году, о чем сказал Фредерик Бордри, руководивший разработкой и строительством другой безумно сложной установки для проведения научных экспериментов – Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, пишет британская Independnt.
«Когда мы говорим о стоимости ИТЭР, это мелочь по сравнению с его воздействием на процесс изменения климата, – добавил он. – Нам придется найти необходимые средства».
В ходе термоядерного синтеза энергия образуется, когда атомы водорода сливаются вместе, образуя более тяжелые элементы, такие как гелий.
Технология считается самым чистым безуглеродным источником энергии, который может обеспечить весь мир дешевым теплом и электричеством и остановить негативные климатические изменения на Земле. Но технология требует работы с плазмой при температуре 200 млн градусов. Основная проблема заключалась в том, чтобы заставить плазму генерировать больше энергии, чем требуется для ее запуска.
Поэтому состоявшаяся в конце прошлого года пресс-конференция российских участников международного термоядерного проекта ИТЭР привлекала внимание прессы.
Так выглядит ИТЭР в разрезе.
Реализация идеи
Прежде всего, наверное, стоит отметить, что данный проект предусматривает строительство реактора в ядерном центре Кадараш на юге Франции близ Марселя.
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – проект международного экспериментального термоядерного реактора, который строится во Франции с 2007 года как прототип установок, в которых энергия будет вырабатываться в высокотемпературной плазме при синтезе изотопов водорода (то есть как следствие термоядерной реакции).
Большая сложность и объемность проекта делают невозможной его реализацию отдельной страной, поэтому ИТЭР строится совместными усилиями стран ЕС, Китая, Индии, России, США, Южной Кореи и Японии. Цель проекта ИТЭР – создание реактора и разработка методов и условий формирования практически стационарного плазменного разряда, параметры которого будут способствовать интенсивной термоядерной реакции.
Одним из важнейших условий достижения цели проекта ИТЭР является разработка, производство и успешная эксплуатация ряда диагностических систем, часто основанных на новых методах, которые должны анализировать параметры плазмы, процессы, происходящие в ней, результаты плазменной обработки, взаимодействие со стенкой плазменной камеры и др. Во всех странах – участницах проекта разрабатываются различные системы диагностики. В России этим занимаются крупные научные центры «Курчатовский институт», ТРИНИТИ, НИИЭФА, НИКИЭТ и другие.
Этот проект является крупнейшим международным научно-исследовательским проектом в сфере ядерной физики.
Он был начат в 80-х годах прошлого века с целью достижения фундаментального прорыва в сфере термоядерных и плазменных технологий и создания рабочего прототипа термоядерного реактора. С этой целью в те годы было подписано международное соглашение, в котором участвуют сегодня Россия, США, ЕС, Япония, КНР, Индия и Южная Корея. В основу реактора положена разработанная еще советскими учеными установка токамак, которая считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Идея использования управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей в СССР была разработана советским физиком Олегом Лаврентьевым в середине 50-х годов. Работы по этому направлению велись советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом. Тут надо отметить, что имеется и другой тип реактора для подобных целей, который называется стеллатор и был изобретен американским физиком Лайманом Спитцером еще в 1950 году.
Для понимания проблемы отметим, что на Солнце осуществляется такой же синтез, но неуправляемый.
Там идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий и каждую секунду около 4 млн т вещества превращаются в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение.
Первая плазма в реакторе ИТЭР должна быть получена в 2025 году. Токамак представляет собой тороидальную камеру с магнитными катушками для магнитного удержания плазмы, что позволит создать условия для протекания управляемого термоядерного синтеза. Идея состоит в том, чтобы получать неограниченное количество энергии при минимальных первоначальных энергозатратах. Другими словами, ИТЭР, согласно расчетам ученых, сможет генерировать около 500 МВт мощности при затрачиваемых 50 МВт. Главное отличие термоядерного синтеза от современной ядерной энергетики состоит в том, что в ней осуществляется реакция распада, а не синтеза.
Американский физик Лайман Спитцер и советский ученый Олег Леонтьев стояли у истоков термоядерного синтеза.
Как отмечает Independent, в отличие от существующих реакторов, работающих за счет деления ядер, которые дают радиоактивные отходы и порой становятся причиной катастрофических аварий, ядерный синтез, как утверждают его апологеты, может стать чистым и в буквальном смысле неиссякаемым источником энергии.
Разумеется, если ученым и инженерам удастся освоить технологии ядерного синтеза – они бьются над решением этой задачи уже почти 100 лет.
В противовес расщеплению атомов ядерный синтез фактически повторяет процесс, который естественным образом происходит внутри звезд: два атома водорода сливаются друг с другом, в результате чего возникает атом гелия – и выделяется огромное количество энергии.
Чтобы такое слияние двух атомов произошло, требуется невообразимое количество тепла и чрезвычайно высокое давление. Один из способов этого достичь – превратить водород в ионизированный газ, то есть в плазму, которую помещают в специальную вакуумную камеру в форме пончика.
Это можно сделать с помощью мощных сверхпроводящих магнитов, таких как «центральный соленоид», который американская компания General Atomics начала переправлять из Сан-Диего во Францию летом этого года.
Ученые утверждают, что ИТЭР уже готов на 75%. Они намерены запустить реактор уже к началу 2026 года. Их конечная цель – произвести больше энергии, чем требуется для того, чтобы разогреть плазму, и доказать, что технология ядерного синтеза действительно жизнеспособна.
О термоядерных реакторах в последние годы говорят все больше. Все больше стран уже занимаются этим направлением либо строят свои установки. И большинство частных компаний ожидают, что первые соответствующие реакторы появятся в 2030-х годах. Но пока все термоядерные реакторы в мире потребляют больше энергии, чем выделяют.
Не так давно Ассоциацией термоядерной промышленности (Fusion Industry Association; FIA) и Управлением по атомной энергии Великобритании (UK Atomic Energy Authority; UKAEA) был опубликован прогноз о состоянии термоядерной энергетики в мире. В нем говорится, что во всем мире существует не менее 35 частных компаний, занимающихся термоядерным синтезом, большинство из которых сосредоточено в США и Европе. 12 компаний заявили, что они находятся на ранней стадии разработки или работают «в скрытом режиме» и поэтому не участвовали в отчете. Что касается остальных 23 компаний, 12 отметили, что они начали свою деятельность только в последние пять лет. 18 компаний из списка раскрыли данные о своем финансировании, и суммарно речь идет примерно о 1,8 млрд долл.
Согласно отчету, магнитное удержание, при котором магнитные поля используются для удержания высокотемпературной плазмы, является наиболее популярной технологией при постройке термоядерных реакторов. Хотя производство электроэнергии является основной целью для частных компаний, занимающихся термоядерным синтезом, почти половина компаний считают, что эта технология также может найти применение для космических двигателей, судовых двигателей и прочих промышленных задач.
Надо понимать, что ИТЭР представляет собой только один из проектов и наиболее продвинутые в научном плане страны работают в этом направлении и самостоятельно. В прессу просочились некоторые сведения о достигнутых в других странах уровнях.
Строительная площадка ИТЭР
Так, токамак EAST в Китае проработал 17 минут при температуре 70 млн градусов по Цельсию. Это является самым продолжительным временем работы подобного аппарата в мире. Термоядерный реактор в Китае установил рекорд устойчиво высоких температур, достигнув 70 млн градусов по Цельсию.
Об этом пишет Independent. Как отмечает издание, конечная цель проекта состоит в выработке почти безграничной чистой энергии, имитирующей естественные реакции, происходящие внутри звезд. При этом для данного процесса не требуется ископаемое топливо и он не оставляет опасных отходов. Проект уже обошелся китайским властям более чем в 700 млрд фунтов стерлингов.В июне 2021 года китайские ученые побили рекорд, достигнув температуры плазмы 120 млн градусов Цельсия в течение 101 секунды и 160 млн градусов Цельсия в течение 20 секунд.Эксперимент EAST является частью проекта по созданию Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), в котором участвуют Китай, Индия, ЕС, Россия, США и другие страны. А американская компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) начала строительство кампуса термоядерной энергии. Уникальный реактор SPARC будет размещен в местечке Девенс на северо-востоке штата Массачусетс, на бывшей базе Армии США, в 50 км к западу от Бостона. Там же построят корпоративные офисы компании и завод для промышленного производства аналогичных устройств.
«Впервые в истории мы на практике докажем, что термоядерный синтез может работать как чистый и безграничный источник энергии», – отметил генеральный директор CFS Боб Мумгаард.
Группа же ученых из Массачусетского технологического института (МТИ) вместе с одной частной компанией, сообщает Independent, объявили, что они тоже достигли важной стадии в разработке технологии ядерного синтеза: они успешно провели испытания самого сильного высокотемпературного сверхпроводящего магнита, который, возможно, позволит им обогнать команду ИТЭР в гонке за создание «солнца на Земле». Скорее всего в данном случае как раз идет речь о CFS. Команда МТИ утверждает, что ей удалось создать магнитное поле, которое в два раза сильнее поля ИТЭР, с помощью электромагнита, который в 40 раз меньше. Они сообщили, что, возможно, сумеют создать установку, готовую к широкому использованию, уже к началу 2030-х годов.
«Все это задумывалось как коммерческий проект, сказала выдающаяся физик и вице-президент МТИ Мария Зубер.
– Мы не рассчитывали на то, что это будет всего лишь научный эксперимент».
– Мы не рассчитывали на то, что это будет всего лишь научный эксперимент».Предварительные итоги
Об итогах 29-го заседания совета ИТЭР, совместной работе стран-участниц над проектом, ключевых достижениях отечественных предприятий в его реализации и основных планах российской стороны на будущий год рассказали специальный представитель госкорпорации «Росатом» по международным и научно-техническим проектам Вячеслав Першуков, директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Красильников и директор Института прикладной физики РАН Григорий Денисов.
В ходе пресс-конференции обсуждались итоги 29-го заседания совета ИТЭР, текущие результаты совместной работы стран-участниц над проектом, ключевые достижения отечественных предприятий в его реализации и основные планы российской стороны на будущий год. Вячеслав Першуков положительно охарактеризовал итоги прошедшего в ноябре заседания совета ИТЭР. Отвечая на вопросы журналистов, Вячеслав Першуков подчеркнул существенный прогресс в реализации проекта ИТЭР, а также сплоченность всех вовлеченных в его реализацию стран, равно как организаций и учреждений внутри России.
По мнению Вячеслава Першукова, «прогресс на самом деле значительный. Сама площадка сооружения ИТЭР дает представление, что на ней сосредоточено большое количество и строительных, и технологических ресурсов, и все эти компании дружно работают над выдающимся проектом».
Директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Красильников отметил ряд важнейших достижений кооперации российских участников проекта и поблагодарил их за масштабные результаты, полученные в 2021 году вопреки всем сложностям, связанным с пандемией. В своем обращении Анатолий Красильников сделал акцент на необходимости увеличить долю российских специалистов в Международной организации ИТЭР.
«В этом смысле нам есть куда расти, эту цель мы видим», – сказал глава российского Агентства ИТЭР. – Мы связываем свои надежды с тем, что в России стартовала внутренняя программа по управляемому термоядерному синтезу, и это приведет к тому, что будет готовиться больше молодежи, будет расти ее квалификация».
Григорий Денисов напомнил, что одной из главных систем, за которые несет ответственность Россия в рамках проекта, являются восемь из 24 гиротронных комплексов. Их разработкой занимается Институт прикладной физики РАН, шесть из восьми комплексов уже изготовлены. Директор нижегородского института обратил особое внимание на то, что «работа по проекту ИТЭР привлекла молодых специалистов в Институт (прикладной физики РАН. – «НГ-энергия»). С точки зрения возраста ситуация в институте изменяется».
Вклад ученых МИФИ
В связи с пресс-конференцией заслуживает внимания анализ, опубликованный на сайте МИФИ, который существенно дополняет результаты пресс-конференции.
Работа ученых НИЯУ МИФИ над этой важнейшей для ИТЭР проблемой началась в 2013–2014 годах.
Когда научная группа профессора Леона Беграмбекова (кафедра физики плазмы) предложила, а затем продемонстрировала электростатический метод удаления микроскопической металлической пыли из ИТЭР, создаваемой действием плазмы на стенки плазменной камеры и крайне негативно влияющей на параметры плазмы и безопасность установки. Развитие работы НИЯУ МИФИ по тематике ИТЭР активизировалось после подписания в 2016 году Меморандума об академическом и научном сотрудничестве между НИЯУ МИФИ и организацией ИТЭР. Научная группа, возглавлявшаяся тогда заведующим кафедрой физики плазмы профессором Валерием Курнаевым, разработала оригинальную методику поиска участков вакуумной камеры, где нарушена герметичность и откуда воздух попадает в вакуумную камеру.
Научная группа профессора Беграмбекова в течение 2017–2019 годов успешно выполнила три контракта на НИОКР с ИТЭР по комплексу задач диагностики плазмы. Также разработано и внедрено защитное покрытие для корпусов диагностических магнитных зондов; проведено экспериментальное исследование, определены причины и закономерности разрушающего воздействия плазмы на зеркала систем лазерной диагностики плазмы; решена комплексная задача ввода/вывода эндоскопа с электростатическим зондом из токамака.
В 2018 году Алексей Айрапетов, сотрудник НИЯУ МИФИ, провел шесть месяцев на площадке ИТЭР, работая над концепцией диагностической системы для сбора и анализа пыли токамаков.
Работа НИЯУ МИФИ по разработке метода и устройства для улавливания металлической пыли из ИТЭР продолжается в рамках трехлетнего контракта на создание электростатического зонда для ИТЭР, автоматизированной системы его ввода в токамак и удаление пыли из токамака. НИЯУ МИФИ выиграл тендер ИТЭР на этот контракт в 2019 году.
Благодаря высокому уровню научно-технической работы, выполняемой научным коллективом НИЯУ МИФИ, университет был приглашен штаб-квартирой ИТЭР для участия в тендере на разработку, изготовление, испытания и поставку в ИТЭР всего комплекса оборудования, входящего в состав Диагностической системы для сбора, извлечения и анализа металлической пыли, образующейся при работе ИТЭР. Приглашение НИЯУ МИФИ к участию в таком конкурсе вместе с ведущими мировыми научными организациями, несомненно, является признанием высокого потенциала ученых и специалистов университета.
В заключение важно отметить, что все страны, участвующие в проекте ИТЭР, – в том числе Соединенные Штаты, Россия, Китай, Япония, Индия, Южная Корея и множество европейских стран, – делят между собой расходы на его реализацию и все они могут пользоваться полученными научными данными и интеллектуальной собственностью.
Термоядерные реакторы, как они работают и есть ли у них будущее
Вторая половина XX века была периодом бурного развития ядерной физики. Стало ясно, что ядерные реакции можно использовать для получения огромной энергии из мизерного количества топлива. От взрыва первой ядерной бомбы до первой АЭС прошло всего девять лет, и когда в 1952 году была испытана водородная бомба, появились прогнозы, что уже в 1960-х вступят в строй термоядерные электростанции. Увы, эти надежды не оправдались.
Игорь Егоров
Основной источник энергии для человечества в настоящее время — сжигание угля, нефти и газа. Но их запасы ограничены, а продукты сгорания загрязняют окружающую среду.
Угольная электростанция дает больше радиоактивных выбросов, чем АЭС такой же мощности! Так почему же мы до сих пор не перешли на ядерные источники энергии? Причин тому много, но главной из них в последнее время стала радиофобия. Несмотря на то что угольная электростанция даже при штатной работе вредит здоровью куда большего числа людей, чем аварийные выбросы на АЭС, она делает это тихо и незаметно для публики. Аварии же на АЭС сразу становятся главными новостями в СМИ, вызывая общую панику (часто совершенно необоснованную). Впрочем, это вовсе не означает, что у ядерной энергетики нет объективных проблем. Немало хлопот доставляют радиоактивные отходы: технологии работы с ними все еще крайне дороги, и до идеальной ситуации, когда все они будут полностью перерабатываться и использоваться, еще далеко.
От деления к синтезу
Потенциально решить эти проблемы позволяет переход от реакторов деления к реакторам синтеза. Если типичный реактор деления содержит десятки тонн радиоактивного топлива, которое преобразуется в десятки тонн радиоактивных отходов, содержащих самые разнообразные радиоактивные изотопы, то реактор синтеза использует лишь сотни граммов, максимум килограммы, одного радиоактивного изотопа водорода — трития.
Кроме того, что для реакции требуется ничтожное количество этого наименее опасного радиоактивного изотопа, его производство к тому же планируется осуществлять непосредственно на электростанции, чтобы минимизировать риски, связанные с транспортировкой. Продуктами синтеза являются стабильные (не радиоактивные) и нетоксичные водород и гелий. Кроме того, в отличие от реакции деления, термоядерная реакция при разрушении установки моментально прекращается, не создавая опасности теплового взрыва. Так почему же до сих пор не построено ни одной действующей термоядерной электростанции? Причина в том, что из перечисленных преимуществ неизбежно вытекают недостатки: создать условия синтеза оказалось куда сложнее, чем предполагалось в начале.
Чтобы термоядерная реакция была энергетически выгодной, нужно обеспечить достаточно высокую температуру термоядерного топлива, достаточно высокую его плотность и достаточно малые потери энергии. Последние численно характеризуются так называемым «временем удержания», которое равно отношению запасённой в плазме тепловой энергии к мощности потерь энергии (многие ошибочно полагают, что «время удержания» – это время, в течение которого в установке поддерживается горячая плазма, но это не так).
При температуре смеси дейтерия и трития, равной 10 кэВ (примерно 110 000 000 градусов), нам нужно получить произведение числа частиц топлива в 1 см3 (т.е. концентрации плазмы) на время удержания (в секундах) не менее 1014. При этом неважно, будет ли у нас плазма с концентрацией 1014 см-3 и временем удержания 1 с, или плазма с концентрацией 1023 и время удержания 1 нс. Это критерий называется «критерием Лоусона».
Кроме критерия Лоусона, отвечающего за получение энергетически выгодной реакции, существует ещё критерий зажигания плазмы, который для дейтерий-тритиевой реакции примерно втрое больше критерия Лоусона. «Зажигание» означает, что той доли термоядерной энергии, что остаётся в плазме, будет хватать для поддержания необходимой температуры, и дополнительный нагрев плазмы больше не потребуется.
Z-пинч
Первым устройством, в котором планировалось получить управляемую термоядерную реакцию, стал так называемый Z-пинч.
Эта установка в простейшем случае состоит всего из двух электродов, находящихся среде дейтерия (водорода-2) или смеси дейтерия и трития, и батареи высоковольтных импульсных конденсаторов. На первый взгляд кажется, что она позволяет получить сжатую плазму, разогретую до огромной температуры: именно то, что нужно для термоядерной реакции! Однако в жизни все оказалось, увы, далеко не так радужно. Плазменный жгут оказался неустойчивым: малейший его изгиб приводит к усилению магнитного поля с одной стороны и ослаблению с другой, возникающие силы еще больше увеличивают изгиб жгута — и вся плазма «вываливается» на боковую стенку камеры. Жгут неустойчив не только к изгибу, малейшее его утоньшение приводит к усилению в этой части магнитного поля, которое еще сильнее сжимает плазму, выдавливая ее в оставшийся объем жгута, пока жгут не будет окончательно «передавлен». Передавленная часть обладает большим электрическим сопротивлением, так что ток обрывается, магнитное поле исчезает, и вся плазма рассеивается.
Стабилизировать плазменный жгут удалось, наложив на него мощное внешнее магнитное поле, параллельное току, и поместив в толстый проводящий кожух (при перемещении плазмы перемещается и магнитное поле, что индуцирует в кожухе электрический ток, стремящийся вернуть плазму на место). Плазма перестала изгибаться и пережиматься, но до термоядерной реакции в сколько-нибудь серьезных масштабах все равно было далеко: плазма касается электродов и отдает им свое тепло.
Современные работы в области синтеза на Z-пинче предполагают еще один принцип создания термоядерной плазмы: ток протекает через трубку из плазмы вольфрама, которая создает мощное рентгеновское излучение, сжимающее и разогревающее капсулу с термоядерным топливом, находящуюся внутри плазменной трубки, подобно тому, как это происходит в термоядерной бомбе. Однако эти работы имеют чисто исследовательский характер (изучаются механизмы работы ядерного оружия), а выделение энергии в этом процессе все еще в миллионы раз меньше, чем потребление.
Пробкотрон, стелларатор, токамак
Другой вариант создания необходимых для реакции условий — так называемые открытые магнитные ловушки. Самая известная из них — «пробкотрон»: труба с продольным магнитным полем, которое усиливается на ее концах и ослабевает в середине. Увеличенное на концах поле создает «магнитную пробку» (откуда русское название), или «магнитное зеркало» (английское — mirror machine), которое удерживает плазму от выхода за пределы установки через торцы. Однако такое удержание неполное, часть заряженных частиц, движущихся по определенным траекториям, оказывается способной пройти через эти пробки. А в результате столкновений любая частица рано или поздно попадет на такую траекторию. Кроме того, плазма в пробкотроне оказалась еще и неустойчивой: если в каком-то месте небольшой участок плазмы удаляется от оси установки, возникают силы, выбрасывающие плазму на стенку камеры. Хотя базовая идея пробкотрона была значительно усовершенствована (что позволило уменьшить как неустойчивость плазмы, так и проницаемость пробок), к параметрам, необходимым для энергетически выгодного синтеза, на практике даже приблизиться не удалось.
Можно ли сделать так, чтобы плазма не уходила через «пробки»? Казалось бы, очевидное решение — свернуть плазму в кольцо. Однако тогда магнитное поле внутри кольца получается сильнее, чем снаружи, и плазма снова стремится уйти на стенку камеры. Выход из этой непростой ситуации тоже казался довольно очевидным: вместо кольца сделать «восьмерку», тогда на одном участке частица будет удаляться от оси установки, а на другом — возвращаться назад. Именно так ученые пришли к идее первого стелларатора. Но такую «восьмерку» нельзя сделать в одной плоскости, так что пришлось использовать третье измерение, изгибая магнитное поле во втором направлении, что тоже привело к постепенному уходу частиц от оси к стенке камеры.
Ситуация резко изменилась с созданием установок типа «токамак». Результаты, полученные на токамаке Т-3 во второй половине 1960-х годов, были столь ошеломляющими для того времени, что западные ученые приезжали в СССР со своим измерительным оборудованием, чтобы убедиться в параметрах плазмы самостоятельно.
Реальность даже превзошла их ожидания.
В руках инерции
Помимо магнитного удержания существует и принципиально иной подход к термоядерному синтезу — инерциальное удержание. Если в первом случае мы стараемся долгое время удерживать плазму очень низкой концентрации (концентрация молекул в воздухе вокруг вас в сотни тысяч раз больше), то во втором — сжимаем плазму до огромной плотности, на порядок выше плотности самых тяжелых металлов, в расчете, что реакция успеет пройти за то короткое время, пока плазма не успела разлететься в стороны.
Первоначально, в 1960-х годах, планировалось использовать маленький шарик из замороженного термоядерного топлива, равномерно облучаемый со всех сторон множеством лазерных лучей. Поверхность шарика должна была моментально испариться и, равномерно расширяясь во все стороны, сжать и нагреть оставшуюся часть топлива. Однако на практике облучение оказалось недостаточно равномерным.
Кроме того, часть энергии излучения передавалась во внутренние слои, вызывая их нагрев, что усложняло сжатие. В итоге шарик сжимался неравномерно и слабо.
Проблему неравномерности удалось решить, существенно изменив конструкцию мишени. Теперь шарик размещается внутри специальной небольшой металлической камеры (она называется «хольраум», от нем. hohlraum — полость) с отверстиями, через которые внутрь попадают лазерные лучи. Кроме того, используются кристаллы, конвертирующие лазерное излучение ИК-диапазона в ультрафиолетовое. Это УФ-излучение поглощается тончайшим слоем материала хольраума, который при этом нагревается до огромной температуры и излучает в области мягкого рентгена. В свою очередь, рентгеновское излучение поглощается тончайшим слоем на поверхности топливной капсулы (шарика с топливом). Это же позволило решить и проблему преждевременного нагрева внутренних слоев.
Однако мощность лазеров оказалась недостаточной для того, чтобы в реакцию успела вступить заметная часть топлива.
Кроме того, эффективность лазеров была весьма мала, лишь около 1%. Чтобы синтез был энергетически выгодным при таком низком КПД лазеров, должно было прореагировать практически все сжатое топливо. При попытках заменить лазеры на пучки легких или тяжелых ионов, которые можно генерировать с куда большим КПД, ученые также столкнулись с массой проблем: легкие ионы отталкиваются друг от друга, что мешает их фокусировке, и тормозятся при столкновениях с остаточным газом в камере, а ускорителей тяжелых ионов с нужными параметрами создать не удалось.
Магнитные перспективы
Большинство надежд в области термоядерной энергетики сейчас связано с токамаками. Особенно после открытия у них режима с улучшенным удержанием. Токамак является одновременно и свернутым в кольцо Z-пинчем (по плазме протекает кольцевой электрический ток, создающий магнитное поле, необходимое для ее удержания), и последовательностью пробкотронов, собранных в кольцо и создающих «гофрированное» тороидальное магнитное поле.
Кроме того, на тороидальное поле катушек и поле плазменного тока накладывается перпендикулярное плоскости тора поле, создаваемое несколькими отдельными катушками. Это дополнительное поле, называемое полоидальным, усиливает магнитное поле плазменного тока (также полоидальное) с внешней стороны тора и ослабляет его с внутренней стороны. Таким образом суммарное магнитное поле со всех сторон от плазменного жгута оказывается одинаковым, и его положение остается стабильным. Меняя это дополнительное поле, можно в определенных пределах перемещать плазменный жгут внутри вакуумной камеры.
Важной проблемой токамаков долгое время была необходимость создавать в плазме кольцевой ток. Для этого через центральное отверстие тора токамака пропускали магнитопровод, магнитный поток в котором непрерывно изменяли. Изменение магнитного потока рождает вихревое электрическое поле, которое ионизирует газ в вакуумной камере и поддерживает ток в получившейся плазме. Однако ток в плазме должен поддерживаться непрерывно, а это означает, что магнитный поток должен непрерывно изменяться в одном направлении.
Это, разумеется, невозможно, так что ток в токамаках удавалось поддерживать лишь ограниченное время (от долей секунды до нескольких секунд). К счастью, был обнаружен так называемый бутстреп-ток, который возникает в плазме без внешнего вихревого поля. Кроме того, были разработаны методы нагрева плазмы, одновременно вызывающие в ней необходимый кольцевой ток. Совместно это дало потенциальную возможность сколь угодно длительного поддержания горячей плазмы. На практике рекорд на данный момент принадлежит токамаку Tore Supra, где плазма непрерывно «горела» более шести минут.
Второй тип установок удержания плазмы, с которым связаны большие надежды, — это стеллараторы. За прошедшие десятилетия конструкция стеллараторов кардинально изменилась. От первоначальной «восьмерки» почти ничего не осталось, и эти установки стали гораздо ближе к токамакам. Хотя пока время удержания у стеллараторов меньше, чем у токамаков (из-за менее эффективной H-моды), а себестоимость их постройки выше, поведение плазмы в них более спокойное, что означает более высокий ресурс первой внутренней стенки вакуумной камеры.
Для коммерческого освоения термоядерного синтеза этот фактор представляет очень большое значение.
На первый взгляд, в качестве термоядерного топлива логичнее всего использовать чистый дейтерий: он стоит относительно дёшево и безопасен. Однако дейтерий с дейтерием реагирует в сотню раз менее охотно, чем с тритием. Это означает, что для работы реактора на смеси дейтерия и трития достаточно температуры 10 кэВ, а для работы на чистом дейтерии нужна температура более 50 кэВ. А чем выше температура – тем выше потери энергии. Поэтому как минимум первое время термоядерную энергетику планируется строить на дейтерий-тритиевом топливе. Тритий при этом будет нарабатываться в самом реакторе за счёт облучения образующимися в нём быстрыми нейтронами лития.
«Неправильные» нейтроны. В культовом фильме «9 дней одного года» главный герой, работая на термоядерной установке, получил серьёзную дозу нейтронного облучения. Однако позднее оказалось, что нейтроны эти рождены не в результате реакции синтеза.
Это не выдумка режиссера, а реальный эффект, наблюдаемый в Z-пинчах. В момент обрыва электрического тока индуктивность плазмы приводит к генерации огромного напряжения – миллионы вольт. Отдельные ионы водорода, ускорившись в этом поле, способны буквально выбивать нейтроны из электродов. Поначалу это явление действительно было принято за верный признак протекания термоядерной реакции, но последующий анализ спектра энергий нейтронов показал, что они имеют иное происхождение.
Режим с улучшенным удержанием. H-мода токамака – это такой режим его работы, когда при большой мощности дополнительного нагрева потери плазмой энергии резко уменьшаются. Случайное открытие в 1982 году режима с улучшенным удержанием по своей значимости не уступает изобретению самого токамака. Общепринятой теории этого явления пока еще не существует, но это ничуть не мешает использовать его на практике. Все современные токамаки работают в этом режиме, так как он уменьшает потери более чем в два раза. Впоследствии подобный режим был обнаружен и на стеллараторах, что указывает на то, что это общее свойство тороидальных систем, однако на них удержание улучшается лишь примерно на 30%.
Нагрев плазмы. Существует три основных метода нагрева плазмы до термоядерных температур. Омический нагрев – это нагрев плазмы за счёт протекания через неё электрического тока. Этот метод наиболее эффективен на первых этапах, так как с ростом температуры у плазмы снижается электрическое сопротивление. Электромагнитный нагрев использует электромагнитные волны с частотой, совпадающей с частотой вращения вокруг магнитных силовых линий электронов или ионов. При инжекции быстрых нейтральных атомов создаётся поток отрицательных ионов, которые затем нейтрализуются, превращаясь в нейтральные атомы, способные проходить через магнитное поле в центр плазмы, чтобы передать свою энергию именно там.
А реакторы ли это? Тритий радиоактивен, а мощное нейтронное облучение от D-T реакции создаёт наведённую радиоактивность в элементах конструкции реактора. Приходится использовать роботов, что усложняет работу. В то же время поведение плазмы обычного водорода или дейтерия весьма близко к поведению плазмы из смеси дейтерия и трития.
Это привело к тому, что за всю историю лишь две термоядерные установки полноценно работали на смеси дейтерия и трития: токамаки TFTR и JET. На остальных установках даже дейтерий используется далеко не всегда. Так что название «термоядерная» в определении установки вовсе не означает, что в ней когда-либо реально происходили термоядерные реакции (а в тех, где происходят, почти всегда используют чистый дейтерий).
Гибридный реактор. D-T реакция рождает 14 МэВ нейтроны, которые могут делить даже обеднённый уран. Деление одного ядра урана сопровождается выделением примерно 200 МэВ энергии, что в десять с лишним раз превосходит энергию, выделяющуюся при синтезе. Так что уже существующие токамаки могли бы стать энергетически выгодными, если бы их окружили урановой оболочкой. Перед реакторами деления такие гибридные реакторы имели бы преимущество в невозможности развития в них неуправляемой цепной реакции. Кроме того, крайне интенсивные потоки нейтронов должны перерабатывать долгоживущие продукты деления урана в короткоживущие, что существенно снижает проблему захоронения отходов.
Инерциальные надежды
Инерциальный синтез тоже не стоит на месте. За десятки лет развития лазерной техники появились перспективы повысить КПД лазеров примерно в десять раз. А их мощность на практике удалось повысить в сотни и тысячи раз. Ведутся работы и над ускорителями тяжелых ионов с параметрами, пригодными для термоядерного применения. Кроме того, важнейшим фактором прогресса в области инерциального синтеза стала концепция «быстрого поджига». Она предполагает использование двух импульсов: один сжимает термоядерное топливо, а другой разогревает его небольшую часть. Предполагается, что начавшаяся в небольшой части топлива реакция впоследствии распространится дальше и охватит все топливо. Такой подход позволяет существенно снизить затраты энергии, а значит, сделать реакцию выгодной при меньшей доле прореагировавшего топлива.
Проблемы токамаков
Несмотря на прогресс установок иных типов, токамаки на данный момент все равно остаются вне конкуренции: если на двух токамаках (TFTR и JET) еще в 1990-х реально было получено выделение термоядерной энергии, приблизительно равное затратам энергии на нагрев плазмы (пусть такой режим и длился лишь около секунды), то на установках других типов ничего подобного добиться не удалось.
Даже простое увеличение размеров токамаков приведет к осуществимости в них энергетически выгодного синтеза. Сейчас во Франции строится международный реактор ITER, который должен будет продемонстрировать это на практике.
Однако проблем хватает и у токамаков. ITER стоит миллиарды долларов, что неприемлемо для будущих коммерческих реакторов. Ни один реактор не работал непрерывно в течение даже нескольких часов, не говоря уж о неделях и месяцах, что опять же необходимо для промышленного применения. Пока нет уверенности, что материалы внутренней стенки вакуумной камеры смогут выдержать длительное воздействие плазмы.
Сделать проект менее затратным сможет концепция токамака с сильным полем. За счет увеличения поля в два-три раза планируется получить нужные параметры плазмы в относительно небольшой установке. На такой концепции, в частности, основан реактор Ignitor, который совместно с итальянскими коллегами сейчас начинают строить в подмосковном ТРИНИТИ (Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований).
Если расчеты инженеров оправдаются, то при многократно меньшей по сравнению с ITER цене в этом реакторе удастся получить зажигание плазмы.
Вперед, к звездам!
Продукты термоядерной реакции разлетаются в разные стороны со скоростями, составляющими тысячи километров в секунду. Это делает возможным создание сверхэффективных ракетных двигателей. Удельный импульс у них будет выше, чем у лучших электрореактивных двигателей, а потребление энергии при этом может быть даже отрицательным (теоретически возможна выработка, а не потребление энергии). Более того, есть все основания полагать, что сделать термоядерный ракетный двигатель будет даже проще, чем наземный реактор: нет проблемы с созданием вакуума, с теплоизоляцией сверхпроводящих магнитов, нет ограничений по габаритам и т. д. Кроме того, выработка двигателем электроэнергии желательна, но вовсе не обязательна, достаточно, чтобы он не слишком много ее потреблял.
Концепцию электростатического удержания ионов легче всего понять на примере установки, называемой «фузором».
Её основу составляет сферический сетчатый электрод, на который подаётся отрицательный потенциал. Ускоренные в отдельном ускорителе или полем самого центрального электрода ионы попадают внутрь его и удерживаются там электростатическим полем: если ион стремится вылететь наружу, поле электрода разворачивает его назад. Увы, вероятность столкновения иона с сеткой на много порядков выше, чем вероятность вступить в реакцию синтеза, что делает энергетически выгодную реакцию невозможной. Подобные установки нашли применение лишь в качестве источников нейтронов.
Стремясь совершить сенсационное открытие, многие учёные стремятся видеть синтез везде, где только можно. В прессе многократно возникали сообщения по поводу различных вариантов так называемого «холодного синтеза». Синтез обнаруживали в «пропитанных» дейтерием металлах при протекании через них электрического тока, при электролизе насыщенных дейтерием жидкостей, во время образования в них кавитационных пузырьков, а также в других случаях.
Однако большинство из этих экспериментов не имели удовлетворительной воспроизводимости в других лабораториях, а их результаты практически всегда можно объяснить без использования синтеза.
Продолжая «славную традицию», начавшуюся с «философского камня», а затем превратившуюся в «вечный двигатель», многие современные мошенники предлагают уже сейчас купить у них «генератор холодного синтеза», «кавитационный реактор» и прочие «бестопливные генераторы»: про философский камень все уже забыли, в вечный двигатель не верят, а вот ядерный синтез сейчас звучит вполне убедительно. Но, увы, на самом деле таких источников энергии пока не существует (а когда их удастся создать, это будет во всех выпусках новостей). Так что знайте: если вам предлагают купить устройство, вырабатывающее энергию за счёт холодного ядерного синтеза, то вас пытаются просто «надуть»!
По предварительным оценкам, даже при современном уровне техники возможно создание термоядерного ракетного двигателя для полета к планетам Солнечной системы (при соответствующем финансировании).
Освоение технологии таких двигателей в десятки раз повысит скорость пилотируемых полетов и даст возможность иметь на борту большие резервные запасы топлива, что позволит сделать полет на Марс не более сложным занятием, чем сейчас работа на МКС. Для автоматических станций потенциально станет доступной скорость в 10% от скорости света, что означает возможность отправки исследовательских зондов к ближайшим звездам и получение научных данных еще при жизни их создателей.
Наиболее проработанной в настоящее время считается концепция термоядерного ракетного двигателя на основе инерциального синтеза. При этом отличие двигателя от реактора заключается в магнитном поле, которое направляет заряженные продукты реакции в одну сторону. Второй вариант предполагает использование открытой ловушки, у которой одна из пробок намеренно ослаблена. Истекающая из нее плазма будет создавать реактивную силу.
Термоядерное будущее
Освоение термоядерного синтеза оказалось на много порядков сложнее, чем это казалось вначале.
И хотя множество проблем уже решено, оставшихся хватит на несколько ближайших десятилетий напряженного труда тысяч ученых и инженеров. Но перспективы, которые открывают перед нами превращения изотопов водорода и гелия, столь велики, а проделанный путь уже столь значителен, что останавливаться на полпути не имеет смысла. Что бы ни говорили многочисленные скептики, будущее, безусловно, за синтезом.
Мощь термоядерного синтеза — повод для волнения по поводу будущего чистой энергии
Энергия термоядерного синтеза — это, пожалуй, самый длинный из дальних планов. Построить термоядерный реактор — это, по сути, создать искусственную звезду. Ученые изучают физику термоядерного синтеза уже столетие и десятилетиями работают над тем, чтобы использовать этот процесс. Тем не менее, почти каждый раз, когда исследователи продвигаются вперед, кажется, что стойки ворот отступают еще дальше.
Тем не менее, огромный потенциал синтеза трудно игнорировать. Это технология, которая может безопасно обеспечить огромный и стабильный поток электроэнергии, используя обильное топливо, полученное из морской воды, для запуска той же реакции, которая питает солнце.
Это не будет производить парниковых газов и с минимальными отходами по сравнению с обычными источниками энергии.
В связи с повышением средней глобальной температуры и растущим спросом на энергию поиски термоядерного синтеза актуальны как никогда: он может помочь решить обе эти проблемы одновременно. Но, несмотря на свои обещания, термоядерный синтез часто рассматривают как научную диковинку, а не как обязательное испытание — реальное, изменяющее мир решение огромной проблемы.
Последний выпуск подкаста Vox Unexplainable о неразгаданных тайнах науки расспрашивает ученых об их многолетней погоне за звездой в бутылке. Они рассказывают о своем недавнем прогрессе и о том, почему термоядерная энергия остается такой сложной задачей. И они приводят доводы в пользу не только продолжения исследований в области термоядерного синтеза, но и агрессивного расширения и инвестирования в него — даже если в ближайшее время он не зажжет энергосистему.
Используя одни из самых мощных когда-либо построенных машин, ученые пытаются усовершенствовать тонкую субатомную механику, чтобы достичь ключевой вехи: получить больше энергии от реакции синтеза, чем они вкладывают.
Исследователи говорят, что они ближе, чем когда-либо.
Синтез намного мощнее любого другого источника энергии, который у нас есть
Ядерное деление — это то, что происходит, когда большие атомы, такие как уран и плутоний, расщепляются и выделяют энергию. Эти реакции приводили в действие самые первые атомные бомбы, а сегодня они приводят в действие обычные ядерные реакторы.
Слияние еще сильнее. Это то, что происходит, когда ядра маленьких атомов слипаются, сливаясь, создавая новый элемент и высвобождая энергию. Наиболее распространенная форма — это слияние двух атомов водорода с образованием гелия.
Причина, по которой при синтезе образуется так много энергии, заключается в том, что новый элемент весит чуть меньше, чем сумма его частей. Этот крошечный кусочек потерянной материи преобразуется в энергию в соответствии со знаменитой формулой Альберта Эйнштейна E = mc 2 . «Е» означает энергию, а «м» — массу.
Последняя часть формулы — «с», константа, измеряющая скорость света — 300 000 километров в секунду, которую затем возводят в квадрат.
Таким образом, существует огромный множитель материи, которая преобразуется в энергию, что делает термоядерный синтез чрезвычайно мощной реакцией.
Эти основы хорошо изучены, и исследователи уверены, что их можно использовать с пользой, но до сих пор это было неуловимо.
«Это странно, потому что мы абсолютно точно знаем, что фундаментальная теория работает. Мы видели, как это продемонстрировано», — сказала Кэролин Куранц, физик плазмы из Мичиганского университета. «Но попытка сделать это в лаборатории поставила перед нами много задач».
Для демонстрации достаточно смотреть днем на солнце (но не прямо, а то глаза болят). Даже находясь на расстоянии 93 миллионов миль, наша ближайшая звезда генерирует достаточно энергии, чтобы нагреть Землю через космический вакуум.
Ваш дружественный термоядерный реактор. Гетти Изображений
Но у солнца есть преимущество, которого нет у нас на Земле: оно очень, очень большое. Одна из трудностей синтеза заключается в том, что атомные ядра — положительно заряженные ядра атомов — обычно отталкиваются друг от друга.
Чтобы преодолеть это отталкивание и искровой синтез, вам нужно заставить атомы двигаться очень быстро в ограниченном пространстве, что делает столкновения более вероятными.
Звезда, подобная Солнцу, масса которой примерно в 333 000 раз превышает массу Земли, создает гравитацию, которая ускоряет атомы по направлению к ее центру, нагревая их, ограничивая их и зажигая термоядерный синтез. Затем реакции синтеза обеспечивают энергию для ускорения других атомных ядер и запуска еще большего количества реакций синтеза.
Что делает термоядерную энергию такой сложной?
Имитировать солнце на Земле — сложная задача. Люди смогли инициировать термоядерный синтез, но неконтролируемым образом, например, в термоядерном оружии (иногда называемом водородной бомбой). Синтез также был продемонстрирован в лабораториях, но в условиях, при которых потребляется гораздо больше энергии, чем выделяется реакция. Реакция обычно требует создания высокоэнергетического состояния материи, известного как плазма, которая имеет причуды и поведение, которые ученые все еще пытаются понять.
Чтобы сделать термоядерный синтез полезным, ученым необходимо запустить его контролируемым образом, чтобы получить гораздо больше энергии, чем они вложили. Затем эту энергию можно использовать для кипячения воды, вращения турбины или выработки электроэнергии. Команды по всему миру изучают различные способы достижения этой цели, но подходы, как правило, делятся на две большие категории.
Один включает использование магнитов для сдерживания плазмы. Именно такой подход используется в ИТЭР, крупнейшем в мире термоядерном проекте, который в настоящее время строится на юге Франции.
Другая категория включает локализацию термоядерного топлива и его сжатие в крошечном пространстве с помощью лазеров. Это подход, используемый Национальным центром зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии.
Национальная установка воспламенения в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса использует 192 лазера, сходящихся на топливной таблетке, для запуска термоядерных реакций.
Дэвид Бутоу/Корбис через Getty Images
Воспроизведение звезды требует проведения таких исследований в огромных масштабах, поэтому в экспериментах по термоядерному синтезу часто используются самые мощные из когда-либо созданных научных инструментов. Центральный соленоид ИТЭР, например, может генерировать магнитную силу, достаточную для того, чтобы поднять авианосец на 6 футов над водой.
Создание оборудования, способного выдерживать такие экстремальные условия, — отдельная научная и инженерная задача. Управление такими масштабными экспериментами также было проблемой. ИТЭР начинался с первоначальной оценки стоимости в 6,6 млрд евро, которая с тех пор увеличилась более чем в три раза. Его строительство началось в 2007 году, а его первые эксперименты должны начаться в 2025 году.
Положительным моментом запутанности термоядерных реакций является то, что практически невозможно вызвать неконтролируемую реакцию или расплавление, подобное тому, что произошло на атомных электростанциях, таких как Чернобыльская.
. Если термоядерный реактор разрушить, реакция быстро затухнет. Кроме того, основным «отходным» продуктом водородного синтеза является гелий, инертный газ. Этот процесс может привести к тому, что некоторые материалы реактора станут радиоактивными, но радиоактивность намного ниже, а количество опасных отходов намного меньше по сравнению с обычными атомными электростанциями. Таким образом, энергия ядерного синтеза может стать одним из самых безопасных источников электроэнергии.
Для политиков вложение средств в дорогостоящий исследовательский проект, который может не дать результатов в течение десятилетий, если вообще принесет плоды, является трудной задачей. Научный прогресс не всегда поспевает за политическими временными рамками: политик, дающий зеленый свет термоядерному проекту, может даже не дожить до того момента, когда он станет жизнеспособным источником энергии, поэтому он точно не сможет похвастаться своим успехом к следующему. выборы катятся вокруг.
В Соединенных Штатах финансирование исследований в области термоядерного синтеза на протяжении многих лет было неустойчивым и намного ниже уровня, который, по мнению государственных аналитиков, необходим для воплощения технологии в жизнь.
Министерство энергетики США в настоящее время тратит около 500 миллионов долларов на термоядерный синтез в год по сравнению с почти 1 миллиардом долларов на энергию из ископаемого топлива и 2,7 миллиарда долларов на возобновляемые источники энергии. Инвестиции в термоядерный синтез кажутся еще меньшими по сравнению с другими крупными программами, такими как НАСА (23 миллиарда долларов) или военными (700 миллиардов долларов).
Таким образом, от основ физики до государственного бюджета, термоядерная энергия имеет много противодействия.
К энергии термоядерного синтеза следует относиться как к решению, а не просто к эксперименту.
Однако в пользу термоядерного синтеза работают ученые и инженеры, считающие, что это не просто возможно, но неизбежно.
«Я истинно верующий. Я действительно думаю, что мы можем решить эту проблему», — сказал Трой Картер, физик плазмы из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Это займет время, но реальная проблема заключается в привлечении ресурсов для решения этих проблем».
Инвесторы также вступают в игру, делая миллиардные ставки на частные начинающие компании, разрабатывающие собственные стратегии синтеза.
Путь к термоядерному синтезу принес пользу и в других областях, особенно в физике плазмы, которая широко используется при производстве полупроводников для электроники. «Плазменная обработка — это одна из вещей, которая делает ваши iPhone возможными», — сказала Кэтрин Маккарти, исследователь термоядерного синтеза в Ок-Риджской национальной лаборатории.
И, несмотря на препятствия, были некоторые реальные успехи. Прошлым летом исследователи из NIF сообщили, что они добились наилучших результатов — 1,3 мегаджоуля мощности из 1,9 мегаджоуля.мегаджоулей входных данных, что делает их ближе, чем когда-либо, к положительному с точки зрения энергии синтезу. «Мы находимся на пороге возгорания», — сказала Тэмми Ма, физик плазмы из NIF.
Чтобы вырваться из колеи, термоядерный синтез должен быть больше, чем научный эксперимент. Точно так же, как исследование космоса — это больше, чем астрономия, термоядерный синтез — это гораздо больше, чем физика.
Он должен стать ведущим инструментом в борьбе с самыми насущными мировыми проблемами, от изменения климата до избавления людей от бедности.
Расширение доступа к энергии тесно связано с улучшением здоровья, экономическим ростом и социальной стабильностью. Тем не менее, около миллиарда человек по-прежнему не имеют электричества, а многие другие имеют только прерывистое электричество, поэтому существует острая гуманитарная потребность в большем количестве энергии.
В то же время окно для ограничения изменения климата захлопывается, а производство электроэнергии и тепла остается доминирующим источником удерживающих тепло газов в атмосфере. По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, для достижения одной из целей Парижского соглашения по климату — ограничения потепления менее чем на 1,5 градуса по Цельсию в этом столетии — миру необходимо сократить выбросы парниковых газов наполовину или более к 2030 году. Многие из крупнейших в мире источников выбросов парниковых газов также стремятся свести к нулю свой вклад в изменение климата к середине века.
Столь резкое сокращение выбросов означает как можно более быстрый отказ от ископаемого топлива и быстрое внедрение гораздо более чистых источников энергии.
Современные технологии могут быть не в состоянии справиться с противоречием между потребностью в большем количестве энергии и потребностью в сокращении выбросов углекислого газа. Такая проблема, как изменение климата, является аргументом в пользу того, чтобы делать ставки на все виды далеко идущих энергетических решений, но термоядерный синтез может быть технологией с наибольшим потенциалом. А в более длительных временных масштабах, ближе к 2040-м и 2050-м годам, это может стать реальным решением.
Благодаря дополнительным инвестициям со стороны правительств и частного сектора ученые могли бы ускорить темпы своего прогресса и экспериментировать с еще большим количеством подходов к термоядерному синтезу. В США, где большая часть исследований проводится в национальных лабораториях, это означало бы убедить ваших представителей в Конгрессе увлечься термоядерным синтезом и, в конечном счете, потратить больше денег.
Законодатели также могут поощрять частные компании к участию в игре, например, устанавливая цены на выбросы углекислого газа, чтобы создать стимулы для исследований в области экологически чистой энергии.
Ключ, по словам Картера, в том, чтобы обеспечить постоянную поддержку синтеза. «Учитывая уровень важности здесь и количество денег, вложенных в энергию, нынешние инвестиции в термоядерный синтез — это капля в море», — сказал Картер. «Вы можете себе представить, как увеличить его на несколько порядков, чтобы выполнить работу».
Он добавил, что финансирование термоядерного синтеза не должно поглощать ресурсы других чистых энергетических технологий, таких как ветровая, солнечная и ядерная энергия. «Нам нужно инвестировать по всем направлениям», — сказал Картер.
На данный момент большие термоядерные эксперименты в НИФ и ИТЭР продолжаются. В NIF ученые будут продолжать совершенствовать свой процесс и неуклонно продвигаться к положительному с точки зрения энергии синтезу.
Планируется, что ИТЭР начнет работу в 2025 году, а эксперименты по синтезу водорода начнутся в 2035 году.
Возможно, искусственная звездная энергия не будет освещать мир в течение десятилетий, но сейчас необходимо заложить фундамент посредством исследований, разработок и развертывания. Он вполне может стать главным достижением человечества, на создание которого ушло более века.
Поддержите ли вы разъяснительную журналистику Vox?
Миллионы обращаются к Vox, чтобы понять, что происходит в новостях. Наша миссия никогда не была более важной, чем в этот момент: расширять возможности через понимание. Финансовые пожертвования наших читателей являются важной частью поддержки нашей ресурсоемкой работы и помогают нам сделать нашу журналистику бесплатной для всех. Пожалуйста, рассмотрите возможность сделать вклад в Vox сегодня.
Насколько близки ученые к разработке термоядерной энергии? — ПОЧЕМУ
Эта история взята из еженедельного подкаста о здоровье и науке The Pulse.
Подпишитесь на Apple Podcasts, Spotify или везде, где вы получаете свои подкасты.
Теплота, плотность, время и небольшое количество морской воды. Всего через 20 лет, по словам физика-ядерщика Марка Хендерсона, этот простой рецепт сможет питать целые города и помочь навсегда замедлить растущую волну изменения климата — если, то есть, произойдет несколько вещей.
«Если мы вкладываем деньги, мы прилагаем усилия и изобретательность, — сказал Хендерсон.
Последние ингредиенты, добавил он, может быть труднее достать.
«Мы должны быть привержены этому», — сказал Хендерсон. «И правительства должны будут поставить на первое место успех термоядерного синтеза».
Он надеется, что проект, над которым он работал последние десять лет, даст такой толчок термоядерной энергии.
Он называется Международный термоядерный экспериментальный реактор, сокращенно ИТЭР. Огромный испытательный реактор в форме пончика, который все еще строится на юге Франции, часто называют крупнейшим в мире научным экспериментом и следующим шагом на пути к термоядерной энергии.
(Латинское слово «iter» означает «путь» или «путешествие».)
Зал сборки ИТЭР (Международного экспериментального термоядерного реактора) в Сен-Поль-ле-Дюранс, юг Франции, среда, 13 декабря 2017 г. (Claude Paris/AP Photo)
ИТЭР является продуктом дипломатия. В 1980-х два давних врага, Соединенные Штаты и бывший Советский Союз, объединились для общей миссии: использовать этот, казалось бы, магический источник силы для чего-то другого, кроме взаимного уничтожения. К тому времени идея совместной работы была более новой концепцией, чем сама термоядерная энергия.
Хендерсон мечтал построить функциональный коммерческий термоядерный энергетический реактор с 14 лет — еще один физик в длинной череде ускорителей, который считает, что производство термоядерной энергии не только достижимо, но и обязательно, если большая часть человечества хочет пережить такой образ жизни. своей элиты.
И несложно понять почему. Потенциал ядерного синтеза как источника энергии настолько ярок, что может ослепить вас.
Это фундаментальная реакция, которая питала наше солнце почти 5 миллиардов лет и будет питать еще примерно 5 миллиардов. Сжимайте изотопы водорода достаточно долго в сверхгорячей среде, и его атомы объединяются, чтобы создать новый элемент: гелий. При таком преобразовании высвобождается тонна энергии. Получите правильный рецепт (то есть солнце), и реакция, по сути, нагреется сама.
Это означает, что если ученые смогут найти способ надежно производить и поддерживать термоядерный синтез на Земле с использованием элементов, обычно встречающихся в океанской воде, практически неограниченная энергия может быть доступна по нажатию кнопки — и все это без риска вредных выбросов углерода от сжигание ископаемого топлива, изменчивость ветровой и солнечной энергии, а также возможность расплавления и образования радиоактивных отходов в результате ядерного деления.
Единственным недостатком является то, что все это теоретически. Исследователи трудились над термоядерной энергией с 19 века.
50-х годов, и им еще предстоит построить реактор, который может производить больше энергии, чем потребляет. Вот тут-то и появляется ИТЭР.
«Этот синтез является практическим источником энергии, и этот синтез будет коммерчески жизнеспособным», — сказал Стивен Кривит, научный обозреватель и издатель New Energy Times, независимого издания, где он сообщает о разработках. в слиянии. — Это то, что нам обещали.
Проект ИТЭР не был завершен до 2001 года, но его одобрение имело большой удар: обещание производить в 10 раз больше энергии, чем потребляется. На тот момент к проекту присоединились 35 стран, чтобы разделить затраты (и выгоды) от такого достижения. Окончательный ценник все еще обсуждается. Если вы спросите ИТЭР, счет составит около 25 миллиардов долларов. Министерство энергетики США оценивает его почти в 65 миллиардов долларов.
ИТЭР на выставке International Fusion Energy Days 2013. (Conleth Brady/Wikimedia Commons)
Но если ИТЭР заработает в полном объеме, как ожидалось, к 2035 году, то с точки зрения производства энергии он уничтожит все предыдущие конструкции термоядерных реакторов.
Это, как часто говорит ИТЭР, стоит больших сумм государственных денег, необходимых для инвестиций.
Но Кривит настроен скептически.
«Несмотря на то, что есть много интересного, что можно узнать об исследованиях термоядерного синтеза, единственное, что действительно важно для людей — единственное, что действительно важно для всего мира, — это то, может ли термоядерный синтез быть источником энергии», — сказал Кривит. «Если скорость вывода ненамного превышает скорость ввода, это может быть любопытно с научной точки зрения, но практически бесполезно».
ИТЭР дал смелое обещание: производить в 10 раз больше энергии, чем он потреблял. Несмотря на то, что ИТЭР был всего лишь испытательным реактором, который никогда не подключался к сети и не производил электроэнергию, такой результат был бы рекордным для термоядерных реакторов по сравнению с его предшественником, реактором под названием JET в Великобритании. даже безубыточность — это означает, что он производил меньше энергии, чем потреблял.
Замечательная модернизация ИТЭР по выработке энергии стала возможной благодаря увеличенной конструкции реактора. Когда дело доходит до термоядерных реакторов в форме пончика, называемых токамаками, таких как ITER и JET, размер является ограничивающим фактором. Именно огромные размеры ИТЭР, почти 240 футов в высоту и вес 23 000 тонн, позволяют организации делать такие большие заявления. И организация ИТЭР сделала это, часто рекламируя свой 10-кратный показатель прироста мощности, часто называемый коэффициентом добротности.
Но когда Кривиту нужно было перепроверить некоторые цифры для книги, которую он писал, более пристальный взгляд на коэффициент добротности, обещанный ИТЭР, выявил кое-что настораживающее, сказал он.
«Я полагал, что всем известна мощность, поступающая в эти реакторы. Но ученые, с которыми я разговаривал, сказали: «Ну, на самом деле, мы не измеряем мощность, поступающую в термоядерные реакторы». А я говорю: «О чем вы говорите?», — сказал Кривит.
«Мы все думали, что уровень мощности, о котором вы говорили из реактора JET, был сравнением мощности, выходящей с мощностью, поступающей. И они сказали: «Нет». Этот коэффициент мощности не сравнивает уровень мощности. на выходе по сравнению с поступающей мощностью. Он сравнивает только соотношение мощности, используемой для нагрева топлива, с тепловой мощностью, производимой топливом».
На самом деле отношение Q говорит только о том, что происходит глубоко внутри реактора, когда происходит синтез, а не об общем количестве энергии, необходимой для запуска всей операции, или о фактическом полезном электричестве, которое может произвести реакция синтеза.
«И я думаю, ничего себе, это довольно серьезное недоразумение, которое было у меня, как и у всех, кого я знаю», — сказал Кривит.
Итак, первое, что он сделал, это связался с учеными из JET, британского реактора, на котором был установлен предыдущий рекорд Q. Он хотел выяснить отношение общей потребляемой электроэнергии к общей выходной электрической мощности испытательного реактора.
был подключен к сети.
— Эффективность 1%, — сказал Кривит.
Это было далеко от 67%, о которых ранее думал Кривит. Это означает, что если бы JET был подключен к сети, реактор потерял бы почти всю мощность, которую он использовал для работы.
«Моей первой реакцией было: «Вот черт». Здесь действительно серьезное несоответствие». — сказал Кривит.
Что все это означало для ИТЭР и его заявлений о способности производить в 10 раз больше энергии, чем он потреблял?
Везде, где обсуждалось соотношение Q, другие, казалось, понимали его так же, как и Кривит. Он указал на статьи в New York Times, Nature, Wall Street Journal и других изданиях, в которых количество энергии, подаваемой непосредственно в топливо внутри реактора, смешивается с общей мощностью электроэнергии, необходимой для работы ИТЭР.
— Все эти новостные агентства сообщили, что мощность, необходимая для работы ИТЭР, составляет 50 мегаватт, — сказал Кривит.
Пятьдесят мегаватт на входе на 500 мегаватт на выходе — так ИТЭР заявил, что достигнет коэффициента добротности, равного 10.
Похоже, что законодатели могли верить в то же самое. Во время слушаний в Конгрессе по ИТЭР в 2014 году член палаты представителей от Калифорнии Эрик Суоллвелл сказал: «ИТЭР спроектирован так, чтобы производить как минимум в 10 раз больше энергии, чем он потребляет», а член палаты представителей от Техаса Эдди Бернис Джонсон добавил, что ученые ИТЭР «уверены, что теперь это возможно». на самом деле построить полномасштабный испытательный реактор, который производит гораздо больше энергии, чем потребляет». Член руководящего органа ИТЭР, давший показания на слушаниях, не исправил эти заявления.
Так в чем дело? Действительно ли ИТЭР будет производить в 10 раз больше энергии, чем потребляет?
Марк Хендерсон сказал, что ответ зависит от того, что вы подразумеваете под энергией.
«Одна из путаниц в этом факторе заключается в том, что на самом деле существует Q-физика и, в некоторой степени, Q-инженерия». он сказал.
Согласно Хендерсону, физики и нефизики думают о Q по-разному.
«Чтобы ввести 50 мегаватт электроэнергии, мне нужно получить из сети около 150 мегаватт. И тогда инженер сказал бы: «Ну, Марк, подожди минутку, ты знаешь, ты берешь 150 мегаватт из сети, ты конвертируешь их в 50 мегаватт, это дает мне 500 мегаватт, но потом эти 500 мегаватт расходуются». для нагрева воды, которая вращает турбину, которая затем вырабатывает электроэнергию, которая возвращает в сеть примерно 150 мегаватт», — сказал он. «Таким образом, с точки зрения инженера, если бы ИТЭР был [коммерческим] термоядерным реактором, он давал бы Q-инженерию примерно около единицы».
Коэффициент Q-физики равен 10, а коэффициент Q-инженерии равен единице. Хендерсон сомневался, правильно ли понимают эту разницу настоящие инженеры, работающие на объектах термоядерного синтеза, не говоря уже о публике. Но это, тем не менее, важное отличие.
— Это означает, что реактор ИТЭР фактически является реактором нулевой мощности, — сказал Кривит. «Если конструкция работает так, как ожидалось, мы получим ту же мощность на выходе, что и на входе.
Ноль дополнительной мощности, которую можно было бы использовать для каких-либо практических целей».
Кривит отметил, что если бы ИТЭР был подключен к сети, он фактически стал бы массивным, дорогим, сложным и выдающимся с научной точки зрения продолжением электрического провода. Но, конечно же, ИТЭР никогда не собирался подключаться к сети. Так что это само по себе не было большой проблемой. Для Кривита проблема заключалась в искажении фактов.
Он утверждал, что ИТЭР должен был знать, что отношение Q-физики будет неправильно понято публикой как Q-инженерия; что язык организации, описывающий выходную мощность и Q, всегда был слишком мягким, чтобы неспециалисты могли прийти к какому-либо иному заключению, кроме того, что Q и «мощность синтеза» относятся к полезной энергии, а не к нагретой плазме, особенно когда эти термины так часто цитировались в контекст «практически неограниченной энергии» как возможного решения надвигающегося климатического кризиса, которое заслуживает большего финансирования.
Хендерсон сказал, что если и возникла путаница, то это всего лишь неправильное толкование. Умышленного введения в заблуждение не было.
«В любой области очень легко быть неверно истолкованным. И, к сожалению, людям легче делать ставки на термоядерный синтез только из-за суммы, вложенной в создание машины», — сказал он. «Люди скажут: «Ну, а почему вы строите термоядерный реактор вместо того, чтобы, например, вкладывать деньги в солнечное поле или в поле ветра?» с краткосрочной целью и долгосрочной целью».
Тем не менее, во время выступления на TED Talk в 2019 году под названием «Рассвет эпохи термоядерного синтеза» Хендерсон сказал аудитории и Интернету, что ИТЭР спроектирован так, чтобы «1 ватт на входе равнялся 10 ваттам на выходе».
Хотя это утверждение технически верно, знала ли аудитория, не являющаяся физиком, что он имел в виду непосредственно введенную энергию и тепловую энергию? Или они предположили, что он имел в виду общую электрическую мощность?
«Мне не нравится передавать информацию таким образом, чтобы ее можно было неверно истолковать, — сказал Хендерсон.
«И я думаю, что одна из ключевых проблем в общении — это понять, кто ваша аудитория, и дать этой аудитории достаточно информации, чтобы понять, что такое эта штука, называемая заглавной Q. Таким образом, очевидно, что слияние повредило себе в том, как заглавная буква Q была интерпретирована в сообществе или на публике».
Хендерсон сказал, что коммерческому термоядерному реактору потребуется Q-физика около 40, что в четыре раза больше Q ИТЭР, чтобы генерировать достаточную мощность, чтобы быть жизнеспособным.
Так почему вся эта суета вокруг Q=10 от ИТЭР? Это число представляет собой невероятный скачок вперед в термоядерном синтезе, но скачок почти на 50 лет и неизвестную сумму денег в процессе создания, если все пойдет по плану — плану, который, кажется, вызывает много путаницы.
Мишель Классенс около пяти лет был директором по связям с общественностью ИТЭР и написал книгу о проекте, в которой он прямо говорил о вопросе 9.0003
«Люди просто приняли это. И потому что это был, скажем так, хороший аргумент для продажи — вуаля», — сказал Классенс со смешком.
«Он прошел через систему».
Он сказал, что потребовалось некоторое время, чтобы исправить представление Q на веб-сайте ИТЭР.
«Это было либо слишком расплывчато, либо неверно. Поэтому у меня сложилось впечатление, что мы смешиваем два аргумента. Конечно, с точки зрения продаж это довольно привлекательно. «Вы будете производить 500 мегаватт всего за 50 [мегаватт] закаченных». Таким образом, коэффициент усиления равен 10. Это было очень интересно, очень многообещающе», — сказал Классенс. «Таким образом, на исправление этого ушло несколько лет, и только сегодня утром я просмотрел статью, опубликованную в издании, и они все еще используют то же объяснение».
Нынешний глава отдела коммуникаций ИТЭР Лабан Кобленц не слишком обеспокоен тем, что прошлые заявления ИТЭР о мощности подпитывают скептицизм в отношении будущих термоядерных проектов. Он сказал, что организация не считает, что существует какое-либо общественное непонимание отношения Q, и не считает, что ее представление Q было расплывчатым или неправильным.
«Я не думаю, что существует гигантский общественный обман или заблуждение. Я думаю, что по этому конкретному вопросу, если вы сосредоточитесь на чем-то вроде Q, и вы пойдете к следующим 100 людям за пределами своего дома или офисного здания и спросите их об этом, они не будут иметь ни малейшего представления», — сказал Кобленц. «Но если вы [найдёте] некоторых людей, которые знают о проекте, и спросите их о значении ИТЭР, я думаю, они правильно скажут, что ИТЭР пытается продемонстрировать осуществимость термоядерной энергии».
Даже если бы они не понимали, что проект не производит полезную энергию, добавил он, «они все равно были бы правы в своем основном предположении, что ИТЭР — это новаторский научный проект, основанный на прокладывании пути для коммерческий сплав. Это все еще правильно».
Кобленц сказал, что ИТЭР в прошлом прилагал усилия, чтобы связаться с публикациями и журналистами, когда считал, что коэффициент Q был искажен, и что, несмотря на упрощения, сделанные представителями Конгресса во время слушаний, ИТЭР уверен, что законодатели правильно понимают цели проекта.