Философский камень энергетики

Больше полувека термоядерный синтез называют надеждой современной энергетики, подразумевая, что до овладения им — рукой подать.

Больше полувека термоядерный синтез называют надеждой современной энергетики, подразумевая, что до овладения им — рукой подать. Об энергетике на этой основе говорят не иначе, как об идеальной панацее и философском камне: запасы топлива для термояда практически неисчерпаемы, энергетический выход — огромен, процесс — экологически безопасен. Но если все так замечательно, почему же человечество до сих пор не овладело столь перспективным источником энергии?

С древнейших времен человек, взирая на пылающее в небесах Солнце, мечтал когда-нибудь найти точно такую же дармовую печку, которую можно будет пристроить в своей пещере, хижине или доме. Многие века ученые-естествоиспытатели пытались разгадать тайну неиссякаемой энергии нашего светила, предлагая для объяснения самые разные идеи. Солнце считали большим куском горящего угля, облаком сжимающегося газа, объектом из антиматерии, в котором постоянно протекает процесс аннигиляции… Лишь в конце 1930-х годов благодаря работам американского физика немецкого происхождения Ганса Бете научное сообщество наконец-то поняло, что же на самом деле происходит внутри Солнца и звезд.

Итак, «на входе» мы имеем газопылевое облако, которое, сжимаясь за счет гравитационной силы, начинает разогреваться. Когда температура в центре протозвезды достигнет нескольких миллиардов градусов, начинается процесс термоядерного синтеза — протоны (ядра атомов водорода) объединяются в ядра гелия. При этом выделяется энергия — масса одного ядра гелия чуть меньше, чем суммарная масса протонов, из которых его «собрали». Именно эту энергию мы и получаем «на выходе» звезды.

Теперь давайте спустимся с небес на грешную Землю. Главная проблема при попытке провести термоядерную реакцию в комнатных условиях — как создать такие огромные температуру и давление, которые наблюдаются в центре звезд? Решение было найдено еще в 50-е годы XX века — взрываем небольшую атомную бомбу (принцип действия которой основан на делении тяжелых элементов типа урана или плутония) и получаем в эпицентре искомые условия. Ежели там окажется некоторое количество тяжелых изотопов водорода, то начнется термоядерная реакция. Подобные «эксперименты» практически одновременно были проведены в 1952–53 годах советскими и американскими физиками — взрывы первых водородных бомб продемонстрировали всему человечеству гигантскую мощь термоядерного синтеза…

Взрыв водородной бомбы — это неуправляемый процесс, и энергию на благие нужды извлечь из него не удастся. Но вскоре после военных испытаний водородных «изделий» физики заговорили о создании электростанций на основе управляемого термоядерного синтеза. Хороший опыт уже был — первые атомные бомбы были взорваны в 1945 году, а первую электростанцию на основе «мирного атома» запустили в СССР в 1954-м. Ученые предполагали, что, поработав лет 10–15, они смогут создать идеальную электростанцию — в качестве топлива она будет использовать водород, который можно получить, например, из воды, а дешевой энергии даст столько, что со временем можно будет вообще забыть об извлечении электричества из угля, нефти или гидроресурсов. За полвека были проведены многочисленные серии экспериментов, досконально изучено поведение плазмы в экстремальных условиях, созданы достоверные теоретические модели, однако несмотря на это экономически выгодная управляемая термоядерная реакция до сих пор остается мечтой.

Если кратко сформулировать основные результаты поиска «философского камня» энергетики, сейчас наиболее перспективными являются два направления исследований: лазерный термоядерный синтез и создание термоядерной плазмы в реакторах типа «токамак» (от ТОроидальная КАмера с МАгнитной Катушкой). Мы сознательно оставляем за рамками статьи скандальную тему так называемого холодного термояда (то есть термоядерного синтеза при обычной температуре), вокруг которой начиная с середины 1980-х годов идет нездоровая полемика. Отмечу лишь, что апологеты холодного термояда пока не смогли продемонстрировать ни одного достоверного эксперимента, который был бы воспроизведен независимыми группами исследователей.

Для лазерного термоядерного синтеза предлагается с помощью очень мощного лазера нагревать малые порции «топлива» до таких температур, при которых термоядерные реакции успевали бы протекать за время существования ничем не удерживаемой плазмы. Эта методика очень интересна, но пока она существует лишь на бумаге. Тем не менее, исследования продолжаются, поскольку в мощных лазерах заинтересованы не только специалисты в области плазмы, но и, к примеру, военные.

Токамаки, разрабатывающиеся в СССР начиная с 60-х годов, предполагают возможность получения высокотемпературной плазмы и ее термоизоляции магнитным полем особой конфигурации в течение достаточно длительного времени. Определенные успехи в эксплуатации токамаков были достигнуты еще до распада СССР, а затем — в экспериментах на токамако-подобных реакторах во Франции, США и Японии. В настоящее время плазму, разогретую до сотен миллионов градусов, удается удерживать до 210 секунд (рекорд установлен на европейском токамаке Tore Supra в 2002 году). Термоядерная реакция идет, энергия выделяется, но ее выход пока меньше расхода на разогрев рабочего вещества. Сейчас большие надежды возлагаются на проект ИТЭР, призванный вывести токамаки на «самоокупаемость».

Звучное слово ИТЭР, которое расшифровывается как Интернациональный термоядерный экспериментальный реактор, наряду с названием большого проекта означает на латыни «путь, дорога». Тем самым участники эксперимента стремятся подчеркнуть, что выбранный ими путь просто обязан привести человечество к овладению дешевой и безопасной энергией термоядерного синтеза.

Инициатором проекта выступил в 1985 году Советский Союз, рассматривая его как логическое продолжение отечественной программы ТОКАМАК. Для создания нового реактора, в несколько раз превосходящего по размерам все предшествовавшие, была необходима кооперация ведущих держав планеты. Кроме того, научные исследования в области мирного использования термоядерной энергии способствовали потеплению международных отношений после долгого периода холодной войны. В 1986 году под патронажем Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) между СССР, Европейским Союзом, США и Японией было подписано соглашение о создании коллаборации ИТЭР. В 1992 году Российская Федерация, как правопреемник Советского Союза, подтвердила продолжение участия нашей страны в проекте.

В 1998 году руководство США решило выйти из ИТЭР. Администрация Белого дома предполагала, что, вложив максимум средств в собственный проект на основе лазерного термоядерного синтеза, американцам удастся опередить остальной мир. Однако в начале 2003 года, поняв, что решить все сложности в одиночку не так-то просто, и не желая «опоздать на последний поезд», США возвращается в ИТЭР. На настоящий момент к проекту, кроме четырех партнеров-инициаторов, присоединились также Китай и Южная Корея.

Первоначально предполагалось, что экспериментальный реактор ИТЭР разместится на территории Соснового бора под Санкт-Петербургом. Но, к сожалению, от этого намерения пришлось отказаться, поскольку, по условиям международного договора, страна-хозяйка должна самостоятельно создать всю инфраструктуру, обслуживающую реактор, что составит около половины от стоимости проекта. В нынешнем мире, сильно изменившемся с 1985 года, подобное финансовое бремя нашему государству не по плечу. Франция и Япония, главные претенденты на размещение на своей территории реактора ИТЭР, долго не хотели уступать друг другу. Однако в мае 2005 года японцы согласились отдать французам право строительства этого перспективного научного объекта, так что скоро вблизи курортного городка Кадараш на юге Франции будет заложен символический первый камень в фундамент реактора ИТЭР, возведение которого планируется закончить к 2014 году.

По своей конструкции ИТЭР — классический токамак, подобный построенным ранее в Советском Союзе, но увеличенный в несколько раз. Создатели ИТЭР говорят о нем как о четвертом поколении токамаков, начиная с которого производство термоядерной энергии станет экономически целесообразным. Итак, что же представляет собой чудо-реактор?

В тороидальной камере с внутренним радиусом 2 метра и внешним — более 6 метров с помощью мощных сверхпроводящих электромагнитов весом около 1 тысячи тонн создается сильное магнитное поле, удерживающее термоядерную плазму — «суп» из ядер дейтерия и трития (изотопы водорода), — нагретую до температуры самых глубоких недр Солнца. Магнитное поле не только препятствует контакту плазмы со стенками камеры, но и сжимает ее, создавая условия для начала слияния ядер. По оценкам ученых, за один десятиминутный цикл реактор выдаст на-гора 500 мегаватт.

Для эффективной работы токамака самыми важными являются два параметра: стабильность термоядерной реакции и высокое отношение количества полученной энергии к количеству затраченной. О стабильности плазмы в реакторе ИТЭР можно не беспокоиться, учитывая успехи, достигнутые в этом направлении; что же касается второго параметра, то расчеты показывают: вырабатываемая энергия более чем в десять раз превысит затраченную.

А теперь перейдем к главному парадоксу ИТЭР. В первую очередь проект должен продемонстрировать научную и технологическую возможность использования энергии термоядерного синтеза в мирных целях. Перед учеными не ставится задача преобразовать полученную энергию в электричество. То есть результатом проекта станет не реальное электричество, которое можно было бы использовать, а некие оценки полученной энергии, которые будут сделаны на основе целого ряда характеристик.

Заметим, что разработки в области преобразования энергии токамаков в электричество находятся лишь в зачаточном состоянии. Специалисты ИТЭР планируют создать простой демонстрационный прототип такой системы, способный подтвердить экономическую целесообразность термоядерного реактора, однако неизвестно, насколько эффективно он будет работать. Пока никто не знает, как отвести тепловую энергию от плазмы, не растеряв бо,льшую ее часть «по дороге». Эта проблема носит не столько научный, сколько технический характер, и на ее решение еще придется потратить массу времени и денег.

Участники проекта утверждают, что экономически выгодные электростанции на термояде могут быть построены где-то во второй половине XXI века (предполагается, что эксперименты будут проводиться по меньшей мере три десятилетия). Обратите внимание, что это оптимистическая оценка специалистов, напрямую заинтересованных в строительстве ИТЭР. Более сдержанные прогнозы гласят, что реальную пользу от термоядерной энергетики человечество начнет получать не раньше, чем через 100–150 лет.

Чтобы не завершать статью на грустной ноте, расскажем об одном неоспоримом преимуществе будущих термоядерных электростанций. Термоядерные реакторы гораздо безопаснее атомных. Хотя радиоактивность их внутренних частей раз в сто выше, чем в установках, работающих по принципу деления ядер урана, однако после остановки реактора она падает гораздо быстрее, и через год будет такой же, как в обычных реакторах, а через десять лет — уже в сто раз меньше. Кроме того, термоядерный реактор хорош тем, что в любой момент внутри него находится столько топлива, сколько нужно лишь на несколько десятков минут работы. А в традиционных реакторах топливо загружается на годы вперед. Поэтому, если работающий термоядерный реактор вдруг разгерметизируется, радиационное заражение окружающей территории будет в десятки тысяч раз меньше, чем от взрыва обычного реактора.

Но главное, что отработанное топливо термоядерного реактора — это абсолютно безопасный гелий, а не долгоживущие радиоактивные изотопы, которые нужно десятилетиями содержать в спецхранилищах. Таким образом, термоядерная энергетика избавит человечество и от проблемы утилизации ядерных отходов.

Итак, проект ИТЭР находится на пути к реализации, ученые и инженеры не покладая рук трудятся над созданием термоядерного реактора, который, как они надеются, станет мостом, переброшенным от лабораторных экспериментов к настоящим термоядерным электростанциям. Однако насколько успешным будет эксперимент, приведет ли он к освоению человечеством дешевой энергии термояда и как скоро это произойдет — покажет лишь будущее.