Как рождается новая эра атомной энергетики: термоядерная революция

Больше полувека ученые пытаются построить на Земле машину, в которой, как в недрах звезд, идет термоядерная реакция. Технология управляемого термоядерного синтеза обещает человечеству практически неисчерпаемый источник чистой энергии. Советские ученые стояли у истоков этой технологии – и сейчас Россия помогает строить крупнейший термоядерный реактор в мире.

Части ядра атома удерживает вместе колоссальная сила. Высвободить ее можно двумя способами. Способ первый – использовать энергию деления больших тяжелых ядер из самого дальнего конца периодической таблицы: урана, плутония. На всех атомных электростанциях Земли источник энергии – это именно распад тяжелых ядер.

Но есть и второй способ высвободить энергию атома: не делить, а, наоборот, соединять ядра. Сливаясь, некоторые из них выделяют даже больше энергии, чем делящиеся ядра урана. Чем легче ядра, тем больше энергии выделится при слиянии (как еще говорят, синтезе), поэтому самый эффективный способ получить энергию ядерного синтеза – заставить сливаться ядра самого легкого элемента – водорода – и его изотопов.

Ручная звезда: сплошные плюсы

Ядерный синтез открыли в 1930-е годы, изучая процессы, происходящие в недрах звезд. Оказалось, что внутри каждого солнца идут реакции ядерного синтеза, а свет и тепло – это его продукты. Как только это стало понятно, ученые задумались о том, чтобы повторить происходящее в недрах Солнца на Земле. По сравнению со всеми известными источниками энергии «ручное Солнце» имеет ряд неоспоримых преимуществ.

Во-первых, топливом для него служит самый обыкновенный водород, запасов которого на Земле хватит на многие тысячи лет. Даже с учетом того, что для реакции нужен не самый распространенный изотоп, дейтерий, стакана воды хватит на то, чтобы неделю снабжать электричеством небольшой городок. Во-вторых, в отличие от горения углеводородов, реакция ядерного синтеза не дает токсичных продуктов – только нейтральный газ гелий.

Почти неограниченные запасы топлива. В термоядерном реакторе топливом работают изотопы водорода – дейтерий и тритий; можно также использовать изотоп гелий-3. Дейтерия много в морской воде – получать его можно обычным электролизом, и запасов его в Мировом океане хватит примерно на 300 млн лет при текущей потребности человечества в энергии.

Трития в природе гораздо меньше, его нарабатывают искусственно в ядерных реакторах – но и нужно его для термоядерной реакции совсем немного. Гелия-3 на Земле почти нет, зато много в лунном грунте. Если когда-нибудь у нас появится термоядерная энергетика, вероятно, за топливом для нее можно будет летать на Луну.

Никаких взрывов. На то, чтобы создать и поддерживать термоядерную реакцию, тратится очень много энергии. Как только подача энергии прекращается, реакция останавливается, а разогретая до сотен миллионов градусов плазма перестает существовать. Поэтому термоядерный реактор сложнее включить, чем выключить.

Малая радиоактивность. Термоядерная реакция дает поток нейтронов, которые вылетают из магнитной ловушки и оседают на стенках вакуумной камеры, делая ее радиоактивной. Создав по периметру плазмы специальное «одеяло» (бланкет), тормозящее нейтроны, можно полностью защитить пространство вокруг реактора. Сам же бланкет со временем неизбежно становится радиоактивным, но совсем ненадолго. Дав ему отлежаться 20–30 лет, можно снова получить материал с естественным радиационным фоном.

Никаких утечек топлива. Риск утечки топлива существует всегда, но для термоядерного реактора топлива нужно так мало, что даже полная утечка ничем не грозит окружающей среде. Для пуска ITER, например, потребуется всего около 3 кг трития и чуть больше дейтерия. Даже при самом худшем сценарии это количество радиоактивных изотопов быстро рассеется в воде и воздухе и никому не причинит вреда.

Никакого оружия. Термоядерный реактор не производит веществ, которые могут быть использованы для изготовления атомного оружия. Поэтому нет опасности, что распространение термоядерной энергетики приведет к ядерной гонке.

Как зажечь «искусственное солнце», в общих чертах стало понятно уже в пятидесятые годы прошлого века. По обе стороны океана были выполнены расчеты, которые задали основные параметры управляемой реакции ядерного синтеза. Она должна происходить при огромной температуре в сотни миллионов градусов: в таких условиях электроны отрываются от своих ядер. Поэтому такую реакцию еще называют термоядерным синтезом. Голые ядра, сталкиваясь друг с другом на бешеных скоростях, преодолевают кулоновское отталкивание и сливаются.

Архив ГК "Росатом"

Первый в мире токамак Т-1, Курчатовский институт, Москва. Был введен в эксплуатацию в 1958 году.

Проблемы и решения

Энтузиазм первых десятилетий разбился о невероятную сложность задачи. Запустить термоядерный синтез оказалось относительно просто – если делать это в форме взрыва. Тихоокеанские атоллы и советские полигоны в Семипалатинске и на Новой Земле испытали на себе всю мощь термоядерной реакции уже в первое послевоенное десятилетие.

Вот только использовать эту мощь, кроме как для разрушения, гораздо сложнее, чем взорвать термоядерный заряд. Чтобы применять термоядерную энергию для получения электричества, реакцию нужно проводить контролируемо – так, чтобы энергия выделялась небольшими порциями.

Как это сделать? Среда, в которой идет термоядерная реакция, называется плазмой. Она похожа на газ, только в отличие от нормального газа состоит из заряженных частиц. А управлять поведением заряженных частиц можно с помощью электрических и магнитных полей.

Поэтому в самом общем виде термоядерный реактор – это сгусток плазмы, заключенный в ловушку из проводников и магнитов. Они не дают плазме убежать, и, пока они это делают, внутри плазмы происходят слияния атомных ядер, в результате чего выделяется энергия. Эту энергию нужно отвести от реактора, использовать для нагрева теплоносителя – и получить электричество.

Ловушки и утечки

Плазма оказалась самой капризной субстанцией, с какой только приходилось сталкиваться людям на Земле. Каждый раз, когда ученые находили способ блокировать один вид утечки плазмы, обнаруживался новый. Вся вторая половина XX века ушла на то, чтобы научиться удерживать плазму внутри реактора сколько-нибудь существенное время. Поддаваться эта задача стала только в наши дни, когда появились мощные компьютеры, позволившие создать математические модели поведения плазмы.

Насчет того, какой способ лучше всего подходит для удержания плазмы, до сих пор нет единого мнения. Самая известная модель, токамак, представляет собой вакуумную камеру в форме бублика (как говорят математики, тора), внутри и снаружи которой размещаются ловушки для плазмы. Такую конфигурацию будет иметь самая большая и дорогостоящая термоядерная установка в мире – строящийся сейчас на юге Франции реактор ITER.

ITER Organization, http://www.iter.org/

Кроме токамака существует много возможных конфигураций термоядерных реакторов: сферические, как в питерском «Глобус-М», причудливо изогнутые стеллараторы (как Wendelstein 7-X при Институте ядерной физики имени Макса Планка в Германии), лазерные инерциальные ловушки, такие как американская NIF. Они получают гораздо меньше медийного внимания, чем ITER, но и с ними связаны большие надежды.

Есть ученые, которые считают конструкцию стелларатора принципиально более удачной, чем токамака: она дешевле в строительстве, а время удержания плазмы обещает дать гораздо большее. Выигрыш в энергии дает сама геометрия плазменной ловушки, которая позволяет избавиться от присущих «бублику» паразитных эффектов и утечек. Есть свои преимущества и у варианта с лазерной накачкой. Водородное топливо в них разогревается до нужной температуры лазерными импульсами, и реакция синтеза запускается почти мгновенно. Плазма в таких установках удерживается по инерции и разлетаться не успевает – настолько быстро все происходит.

Всем миром

Все существующие сегодня в мире термоядерные реакторы – это экспериментальные машины. Ни один из них не используется для получения электроэнергии. Ни на одном еще не удалось выполнить главный критерий термоядерной реакции (критерий Лоусона): получить больше энергии, чем было затрачено на создание реакции. Поэтому мировое сообщество сосредоточилось на гигантском проекте ITER. Если на ITER критерий Лоусона будет выполнен, можно будет дорабатывать технологию и пытаться перевести ее на коммерческие рельсы.

Построить ITER в одиночку не смогла бы ни одна страна в мире. Одних только сверхпроводящих проводов ему нужно 100 тыс. км, а еще – десятки сверхпроводящих магнитов и гигантский центральный соленоид для удержания плазмы, система для создания в кольце высокого вакуума, гелиевые охладители для магнитов, контроллеры, электроника... Поэтому проект строит сразу 35 стран и больше тысячи научных институтов и заводов.

ITER Organization, http://www.iter.org/

Россия – одна из главных стран – участниц проекта; в России проектируют и строят 25 технологических систем будущего реактора. Это и сверхпроводники, и системы измерения параметров плазмы, автоматические контроллеры и компоненты дивертора, – самой горячей части внутренней стенки токамака.

После пуска ITER российские ученые будут иметь доступ ко всем его экспериментальным данным. Впрочем, эхо ITER почувствуют не только в науке: уже сейчас в некоторых регионах появились производства, которых в России раньше вообще не было. Например, до старта проекта в нашей стране не было промышленного производства сверхпроводящих материалов, да и во всем мире производилось всего 15 т в год. Теперь только на Чепецком механическом заводе госкорпорации «Росатом» можно выпускать 60 т в год.

Будущее энергетики и не только

Первую плазму на ITER планируют получить в 2025 году. Этого события ждет весь мир. Но одна, даже самая мощная, машина – это еще не все. Во всем мире и в России продолжают строить новые термоядерные реакторы, которые помогут окончательно разобраться в поведении плазмы и найти оптимальный способ ее использования.

Уже в конце 2020 года в Курчатовском институте собираются запустить новый токамак Т-15МД, который станет частью гибридной установки с ядерным и термоядерными элементами. Нейтроны, которые образуются в зоне термоядерной реакции, в гибридной установке будут использованы для инициации деления тяжелых ядер – урана и тория. Такие гибридные машины в будущем можно использовать, чтобы нарабатывать топливо для обычных ядерных реакторов – как на тепловых, так и на быстрых нейтронах.

Ториевое спасение

Особенно заманчива перспектива задействовать термоядерное «ядро» как источник нейтронов для инициации распада в ядрах тория. Тория на планете больше, чем урана, и его использование в качестве ядерного топлива решает сразу несколько проблем современной ядерной энергетики. Так, продукты распада тория нельзя применить для наработки военных радиоактивных материалов. Возможность такого использования служит политическим фактором, который удерживает малые страны от развития собственной атомной энергетики. С ториевым топливом эта проблема решается раз и навсегда.

Плазменные ловушки могут пригодиться не только в энергетике, но и в других мирных отраслях – даже в космосе. Сейчас «Росатом» и Курчатовский институт работают над компонентами безэлектродного плазменного ракетного двигателя для космических кораблей и систем плазменной модификации материалов. Участие России в проекте ITER подстегивает отрасль, что приводит к созданию новых производств, которые уже сейчас ложатся в основу новых российских разработок.