Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии

В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных технических проблем. Кажется, мы пока далеки от повсеместного применения практически неисчерпаемой термоядерной энергии, но последние успехи ученых из США, которые побили свой рекорд по выходу в термоядерном синтезе, оставляют надежду на революцию в энергетической сфере.

ИТЭР — это проект планетарного масштаба, существующий вне политики. Над ним совместно работают десятки стран: Евросоюз (с Великобританией и Швейцарией), США, Китай, Индия, Япония, Южная Корея. Также проекту помогают Казахстан, Австралия, Канада, Таиланд. И, разумеется, Россия — на долю нашей страны приходятся 9% стоимости сооружения. Сегодня мы поговорим об этом уникальном проекте и заглянем за кулисы ядра, скрывающего неисчерпаемую мощь.

Ядро атома, как мы знаем из физики и химии, состоит из положительно заряженных протонов. Вокруг них — отрицательно заряженные электроны. Силы, удерживающие систему в балансе, как раз и являются объектом изучения ядерных физиков. При этом существуют два принципиально разных подхода к высвобождению скрытой энергии:

• Атомная энергетика. Здесь за основу берется тяжелый элемент (как правило, уран или плутоний), который расщепляется на составляющие с выделением энергии. То есть ключевой процесс — распад ядра. Первая в мире атомная электростанция была запущена еще в 1954 году — ей стала Обнинская АЭС в Калужской области. Человечество хорошо освоило расщепление, хотя проблемы пока остаются.
• Управляемый термоядерный синтез (УТС). В термоядерном синтезе используется обратный принцип: вместо расщепления тяжелых элементов соединяются (синтезируются) легкие — водород и гелий. Точно такие же процессы протекают в центре звезд. Синтез сопровождается выделением огромного количества энергии, но чтобы он осуществился, требуются уникальные условия.

Почему же ученые так упорно ищут подходы к УТС, когда у них уже есть атомная энергетика? Потому что у термоядерного синтеза есть главное неоспоримое преимущество — близкая к идеалу теоретическая энергоэффективность.

Ключевая сложность — условия, которые требуется создать, чтобы атомы водорода соединились друг с другом. В ядре Солнца они подвергаются колоссальному давлению вкупе с огромной температурой. Создать такую гравитацию в лабораторных условиях невозможно, поэтому приходится разогревать среду еще сильнее. Так, если в центре нашего светила температура составляет около 15 млн градусов Цельсия, то в термоядерном реакторе — около 150 млн. Разумеется, никакое вещество не способно выдержать подобного жара, поэтому основная задача, над которой сегодня бьются ученые — удержание плазмы как можно дальше от стенок реактора, чтобы они не расплавились.

Эксперты Курчатовского института замечают, что термоядерный синтез не является цепной реакцией. То есть при нарушениях в работе установки процесс попросту остановится. Максимум, какая опасность поджидает обслуживающий персонал и окружающих — расплавление токамака (установки удержания плазмы с помощью мощных магнитов). В этом плане УТС гораздо безопаснее классической атомной энергетики, где реакция как раз является цепной и угрожает загрязнением обширных площадей.

Высокая энергоэффективность и относительная безопасность — далеко не все плюсы. Есть как минимум еще четыре:

• Отсутствие эмиссии парниковых газов.
• Возможность размещения станции вблизи населенных пунктов из-за отсутствия выделяемых в окружающую среду вредных веществ.
• Согласно расчетам, до 80% используемых конструктивных материалов пригодны для повторной переработки.
• Практически неограниченные запасы топлива. Например, изотоп водорода дейтерий легко получается из обычной воды, да и требуется его немного.

В теории, УТС — неисчерпаемый источник «чистой» энергии, топливо для которого есть у всех без исключения стран (что снижает риски политической напряженности). К тому же термоядерный синтез лишен всех недостатков классической атомной энергетики.

Впервые об УТС заговорили в 1960-х, первопроходцами были ученые из СССР. Так, первое теоретическое обоснование в своих работах дал Лаврентьев (1950), чуть позже с аналогичными трудами выступил Спицер из США (1951). После запуска Обнинской АЭС и публикации научных работ по УТС от Курчатова (1956) за СССР закрепилось звание лидера в ядерной энергетике. Первый токамак, ТМП, был сконструирован в 1958 году в Курчатовском институте. Сегодня самый большой и мощный действующий токамак — JET (Joint European Torus), расположенный в английском Оксфордшире. Здесь мы плавно переходим к ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный экспериментальный термоядерный реактор). По расчетам, его мощность будет в 30 раз выше аналогичного показателя у JET.

ИТЭР был согласован в 1992 году, строительство началось в 2010-ом. Экспериментальный реактор выполнен, как и JET, по типу «токамак». То есть внутри раскаленная плазма удерживается на расстоянии от стенок установки мощнейшей магнитной системой. Кстати, сам термин «токамак» — это акроним от советских ученых, обозначающий «тороидальную камеру с магнитными катушками».

Первоначальная дата завершения строительства — 2016 год. Но запуск многократно переносился. Рассмотрим даты согласования, новые даты завершения строительства и причины переноса сроков:

• 2009 - 2018 — финансовые трудности у европейских участников проекта,
• 2010 - 2019 — предельно негативный отчет об управленческой структуре проекта,
• 2015 - 2025 — очередные финансовые трудности и привлечение новых стран для участия,
• 2022 - неизвестно — скорость монтажа оказалась медленнее, чем то, что раньше планировали на бумаге,
• 2023 - неизвестно — технические проблемы.

За годы строительства смета выросла с 5 до 20 млрд евро, новый срок запуска пока не называется. Как утверждают эксперты Частного учреждения «ИТЭР-Центр», ситуация окончательно прояснится только в 2024 году — тогда и стоит ожидать новой даты. Показателен также момент, насколько часто меняются руководители:

• 2005—2010: Канамэ Икэда;
• 2010-2015: Осаму Мотодзима;
• 2015-2022: Бернар Биго;
• 2022: Эйсуке Тада;
• 2022-н. в.: Пьетро Барабаски.

Безусловно, для уникального мегапроекта такого уровня перенос сроков и разрастание сметы — нормальная ситуация. Именно поэтому ИТЭР существует вне политики и требует усилий лучших умов и производств всех ведущих стран.

Информация о технических проблемах появилась уже в конце 2022-го, но впервые официально ее озвучили в январе 2023 года. Что пошло не так:

• Размеры секторов вакуумной камеры не соответствуют проектным. Их производством занимались страны ЕС и Южная Корея. Руководство ИТЭР не уточняет, кем именно допущена ошибка.
• Появились признаки коррозии на теплозащитном экране. Дефект возник после приваривания трубок охлаждения к корпусу. Исправить на месте не получится — придется разбирать объект.

Нынешний руководитель проекта ИТЭР Пьетро Барабаски утверждает, что на восстановление уйдут годы.

Россия (СССР) — один из трех основателей Международного термоядерного реактора наряду с Францией и США. Всего отечественные ученые должны передать проекту ИТЭР 25 систем. Пока полностью поставили три из них — сверхпроводники ниобий-три-олово и ниобий-титан, а также катушку PF-1. Представители Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры имени Ефремова (НИИЭФА) и Средне-Невского судостроительного завода (СНСЗ) утверждают, что без «больших успехов России» мировой прогресс в сфере термоядерного синтеза отставал бы минимум на три-четыре года.

Отметим, что практически все существующие сегодня токамаки и их разработчики так или иначе поставляют технологии для ИТЭР. Чего удалось достичь за последние 5 лет:

• 2018 — запуск российского сферического токамака нового поколения «Глобус М2»;
• 2021 — в рамках китайского проекта EAST токамак разогрел плазму до температуры почти в семь раз выше, чем в недрах природного светила, и удерживал ее на протяжении более чем полутора минут;
• 2022 — В США лазерная термоядерная установка выделила больше энергии, чем было передано на дейтерий-тритиевую мишень;
• 2023 — китайские ученые заявили, что на токамаке EAST им удалось создать более эффективный режим удержания энергии.

Как видно, активное участие в разработке принимают Китай, США и Россия. Недавно представители «Росатома» заявили, что продолжают поставлять ИТЭР специалистов, оборудование и технологии.

Освоение термоядерной энергии даст миру возможность никогда больше не страдать от недостатка воды или продовольствия благодаря опреснению и вертикальным фермам — так считают аналитики Saxo Bank и «Росатома». Между тем, в общественной и профессиональной среде существуют три мнения насчет ИТЭР:

• Ждать еще очень долго. Михаил Драбинский, младший научный сотрудник отдела токамаков Курчатовского института, считает, что практические результаты мы получим не раньше, чем через 100 лет. Аналогичные прогнозы дают и в Ливерморской национальной лаборатории США, но воздерживаются от точных дат — просто отмечают «очень и очень долгий срок».
• Мы близки к цели. Ученые американской компании General Atomics утверждают, что ИТЭР готов на 75%, и его планируют впервые запустить уже в 2026-ом даже с учетом новых выявленных недостатков. А большинство частных компаний, участвующих в инвестировании, ожидают распространения экономически оправданных термоядерных реакторов в 2030-х гг.
• УТС нам не нужен. Наименее популярное мнение, но стоящее упоминания. Например, его придерживается Илон Маск: «Думаю, современные атомные электростанции безопасны, вопреки тому, что думают люди. Я говорю о делении. Вам не нужен термоядерный синтез». По словам американского изобретателя и бизнесмена, компаниям стоит вкладываться в более понятную атомную энергетику.

Если в ближайшие десятилетия человечеству все-таки удастся запустить ИТЭР и получить положительные результаты, это будет революция, сравнимая с открытием электричества или запуском первого космического аппарата. Ученые еще никогда не были так близки к источнику неисчерпаемой мощи, подобной солнечной.

#firstvds #vcfirstvds #термоядерныйсинтез #источникэнергии #ИТЭР #атомнаяэнергетика