Давно низведенный до «мусорного» уровня целой кучей чистых энергетических технологий из области сбора энергии черных дыр, сейчас ядерный синтез внезапно совершает большой «камбэк», и по вполне весомой причине.
Термоядерный синтез – это не только сверхмощный, но и самый чистый, а также практически безграничный источник энергии, известный человечеству. Фактически это тот самый идеальный источник энергии, который может не только сыграть решающую роль в переходе от «грязного» ископаемого топлива к чистой энергетике, но и привести к завоеванию нашего последнего рубежа: космоса.
Технология ядерного синтеза обладает потенциалом для производства самой безопасной энергией с нулевым уровнем выброса парниковых газов и долгоживущих радиоактивных отходов. Однако, пока практическая термоядерная энергетика на нашей планете по-прежнему остается далеким миражом. И вот, наконец, этот неуловимый источник энергии, возможно, стал ближе к повседневной реальности, чем мы себе представляем.
Расщепление ядра уже давно является самым надежным источником чистой энергии с минимальным временем простоя, хотя и с запятнанной репутацией, если вспомнить Чернобыль, Фукусиму и Три-Майл-Айленд. Ядерный синтез – не только гораздо более мощный источник, чем расщепление. Он несет нулевой риск развития ситуации по чернобыльскому сценарию.
После 35 лет тщательной и трудоемкой подготовки, а также бесчисленных задержек, ученые начали, наконец, пятилетнюю фазу сборки международного экспериментального термоядерного реактора (ITER), первой в мире установки ядерного синтеза, во французском городке Сен-Поль-Ле-Дюранс.
Финансируемый шестью странами, включая Соединенные Штаты, Россию, Китай, Индию, Японию и Южную Корею, ITER станет крупнейшим в мире реактором типа «токамак». Его стоимость, по различным оценкам, составит около 24 миллиардов долларов, и уже к 2025 году реактор сможет генерировать около 500 МВт термоядерной энергии.
Несколько десятилетий назад Соединенные Штаты и Советский Союз, благодаря своему потенциалу в разработке ядерного оружия, стали первыми странами, проводившими исследования в области термоядерного синтеза. В результате, технология управляемого термоядерного синтеза (УТС) оставалась засекреченной, вплоть до конференции 1958 года «Atoms for Peace» (атомы для мира) в Женеве. В семидесятые годы термоядерные исследования превратились в «большую науку» благодаря прорывам Советского Союза.
Однако, вскоре стало ясно, что из-за высокой стоимости и сложности используемых устройств, практического прогресса в этой области можно достичь только благодаря международному сотрудничеству.
Термоядерный синтез в сущности представляет собой столкновение атомов водорода с достаточной силой, чтобы образовался гелий и высвободилась энергия, эквивалентная МС2 . Это именно тот процесс, посредством которого все звезды, от красных карликов до Солнца и астрономических супер-гигантов генерируют огромное количество энергии, нагреваясь до температуры в 4 миллиона градусов Кельвина или выше.
Ядерный синтез способен генерировать из той же массы топлива в четыре раза большее количество энергии, чем расщепление ядра, технология, используемая в настоящее время во всех ядерных реакторах мира. Колоссальные силы гравитации, которыми обладают Солнце и звезды. Создают условия для протекания термоядерного синтеза при значительно более низких температурах, в то время как небольшая масса Земли (всего 1/330 000 часть массы Солнца) и меньший уровень гравитации означают, что для запуска процесса и его поддержания потребуются гораздо более высокие температуры, порядка сотен миллионов градусов Кельвина.
К сожалению, пока все эксперименты были энергетически негативными, то есть поглощалось больше энергии, чем генерировалось. ITER – это атомная электростанция, предназначенная для демонстрации того, что энергетически позитивная термоядерная технология с нулевым выбросом углерода может стать коммерческой реальностью. В ней планируется использовать реакторы типа «токамак» для того, чтобы изолировать дейтерий-тритиевую плазму с помощью магнитного поля.
Фундаментальная проблема заключается в том, чтобы ITER достигла скорости тепловыделения термоядерной плазмы, превышающей поток энергии, подаваемой в эту плазму. Вполне естественно задаться вопросом, а что изменилось на этот раз, и почему исследователи уверены, что ITER не станет просто еще одним весьма дорогостоящим неудачным экспериментом.
Дело в том, что ученые разработали новый сверхпроводящий материал, по сути, представляющий собой стальную ленту, покрытую оксидом иттрия-бария-меди, или YBCO, который позволяет им создавать более мощные магниты меньших размеров. Это снижает уровень энергии, необходимой для старта реакции термоядерного синтеза.
По словам представителей созданного Еросоюзом совместного предприятия «Fusion for Energy», 18 ниобий-оловянных магнитов, то есть кольцевые электромагнитные катушки, будут использоваться для удержания плазмы при температуре 150 миллионов градусов Цельсия. Мощные магниты будут создавать магнитное поле, равное 11,8 Тесла, что в миллион раз больше, чем естественное магнитное поле Земли. Почти 3 тысячи тонн этих сверхпроводящих магнитов будут соединены 200-километровыми сверхпроводящими кабелями, а температура на отметке минус 269 градусов Цельсия будет поддерживаться крупнейшим в мире криостатом, созданным в Индии.
Европейский Союз берет на себя создание десяти кольцевых электромагнитных катушек, а Япония — девяти. Токамак весом в 23 тысячи тонн рассчитан на производство 500 МВт энергии при затратах тепловой мощности на уровне 50 МВт, что делает его энергетически положительным.
На сегодняшний день существующие в мире 440 ядерных реакторов деления удовлетворяют около 10 процентов мировых потребностей в электроэнергии. Такое же количество термоядерных реакторов могло бы теоретически заменить все угольные электростанции, на которые в настоящее время приходится почти 40 процентов мировой электроэнергии.
Но помимо их невероятных энергетических возможностей, термоядерные реакторы, по утверждениям сторонников этой технологии, являются идеальным источником энергии, поскольку они не могут расплавиться и производят гораздо меньше радиоактивных отходов. Это их коренное отличие от реакторов ядерного расщепления, которые в прошлом не раз становились причиной катастрофы из-за неконтролируемой цепной реакцией распада.
Вот в этом-то и состоит вся ирония ситуации: ядерные реакторы деления остаются единственным реальным источником трития, который должен использоваться в термоядерных реакторах.
Разработчики термоядерного синтеза отдают предпочтение дейтерий-тритиевой плазме по сравнению с дейтерий-дейтериевой главным образом потому, что ее химическая активность в 20 раз выше, и она требует в три раза меньшей температуры для синтеза. В отличие от дейтерия, который легко получают из обычной воды, тритий редко встречается в природе, по той простой причине, что период полураспада этого изотопа водорода составляет всего 12,3 года.
В случае успеха ITER станет первым в мире источником энергии, который вообще не использует встречающееся в природе топливо. Будет интересно посмотреть, достанется ли этой и всем последующим термоядерным станциям в наследство тот позор, который традиционная ядерная энергетика до сих пор пытается стряхнуть.
