Последние несколько лет Европа живет в состоянии постоянного энергетического дефицита. Вызванный последствиями пандемии коронавируса энергетический кризис зимы 2021/22 года, а затем и энергетический шок 2022–2023 годов из--за разногласий между ЕС и Россией. Наконец, необходимость «зеленого перехода» к «климатической нейтральности», порождающая «новый аскетизм» и вынуждающая европейцев экономить, «менять свои привычки» и перейти к «осознанному потреблению», – все это вновь актуализировало разговоры о термоядерном синтезе.
Если человечество научится управлять термоядерным синтезом, то оно получит доступ к фактически неисчерпаемому источнику энергии, причем энергии дешевой, доступной и экологичной. Цивилизация будет иметь столько электричества, сколько захочет, при этом перестав опасаться, что в один прекрасный день закончатся нефть, природный газ или уголь. Предполагается, что технология термоядерного синтеза станет промышленной в районе 2050-х годов. Если вспомнить, что первый проект установки для термоядерного синтеза был построен в 1950-е годы, то между «открытием» и «реализацией» пройдет ровно сто лет. Можно сказать, что термоядерный синтез – самая сложная и долгоиграющая технология, воплощаемая сегодня в жизнь. А работы по созданию термоядерного «реактора» – вершина человеческой мысли.
1
Как это часто бывает, гражданские технологии становятся побочным продуктом технологий военных. Управляемый термоядерный синтез («мирный термояд») стал побочным продуктом неуправляемого термоядерного синтеза – водородной бомбы. Соединенные Штаты Америки испытали свой водородный заряд (взорвав лабораторию, наполненную дейтерием) 1 ноября 1952 года на атолле в Тихом океане, Советский Союз взорвал свою первую водородную бомбу (правда, уже бомбу, а не лабораторию) 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне в Казахской ССР.
Солнце — природный термоядерный реактор, solarscience.msfc.nasa.gov
Однако еще до первых военных испытаний такого оружия термоядерный синтез рассматривался советскими учеными именно как источник неограниченной и дешевой энергии. Будущий лауреат Нобелевской премии (1958 год) и учитель «отца водородной бомбы» Андрея Сахарова Игорь Тамм (1895–1971) еще в 1946 году в своей статье «Внутриатомная энергия» в газете «Правда» писал, что «вряд ли можно сомневаться в том, что в не очень отдаленном будущем использование внутриатомной энергии преобразит экономическую и техническую основу человеческого существования. Энергия Солнца рождается ядерной реакцией, в которой при превращении одного грамма водорода в гелий выделяется столько же энергии, сколько при сгорании 15 тонн бензина. Однако новая энергия должна быть направлена не на уничтожение, а на всеобщее благо».
Тамм особо подчеркивал, что ядерная и термоядерная реакции противоположны друг другу. Если в случае ядерной реакции мы имеем дело с большими и тяжелыми ядрами (например, урана) и получаем энергию за счет реакции их деления/распада, то при термоядерной реакции мы имеем дело с легкими ядрами (например, изотопами водорода) и будем получать энергию за счет их слияния/синтеза. Фактически, речь идет о том, чтобы воспроизвести на Земле процессы, происходящие на Солнце.
Только вот чтобы заставить два одинаковых ядра преодолеть кулоновское отталкивание (одинаково заряженные частицы отталкиваются) и синтезировать новое вещество, высвободив при этом огромное количество энергии, надо в свою очередь сначала затратить огромное количество энергии. Даже сегодня основная проблема термоядерных реакторов состоит в том, что на стимулирование реакции затрачивается больше энергии, чем выделяется при ее протекании.
Если на Солнце проблема синтеза водорода решается за счет огромной массы самой звезды, которая давит на ядро с чудовищной силой, то на Земле условия для синтеза придется создавать за счет десятикратного увеличения температуры существования плазмы. Если ядро Солнца раскалено до 15 миллионов градусов, то в термоядерном реакторе плазму придется разогреть до 150 миллионов градусов по Цельсию – иначе не компенсировать нехватку там давления. Получается, что в одной комнате на Земле у вас будет температура в 10 раз выше, чем внутри Солнца.Если естественные цепные реакции деления ядра еще могут случаться в природе (вблизи урановых рудников), то термоядерная реакция в земных условиях – в высшей степени искусственная. На нашей планете просто не может сложиться нужных давлений и температур.
Андрей Сахаров. Фото: А. Кудрявцева, cambridge.org
Еще до того, как была собрана и опробована водородная бомба, советских физиков мучил вопрос управляемой термоядерной реакции. В 1949 году об этом начинает думать молодой физик Андрей Сахаров (1921–1989). «Отцу водородной бомбы» как бы положено задуматься и о мирном применении своего творения.
Олег Лаврентьев, vant.iterru.ru
Первая проблема – материаловедческая! Сосуд из какого материала может выдержать температуру в десятки или сотни миллионов градусов, когда даже вольфрам начинает течь и испаряться? Решение проблемы предложил 23-летний сержант-радиотелеграфист из артиллерийской части на Сахалине Олег Лаврентьев (1926–2011), в будущем знаменитый советский физик, специалист в области термоядерного синтеза. Дойдя до своего решения, Лаврентьев написал письмо Сталину. «Это была коротенькая записка, буквально несколько фраз о том, что мне известен секрет водородной бомбы. Ответа на письмо я не получил. Прождав несколько месяцев, я написал такое же письмо в ЦК. Реакция на это письмо была мгновенной. Мне выделили в штабе части охраняемую комнату, и я получил возможность написать свою первую работу по термоядерному синтезу».
Записка Лаврентьева попала к курирующему ядерный проект Лаврентию Берии и была передана им Андрею Сахарову. Из реакции Сахарова на записку Лаврентьева родилась идея термоядерного «бублика» – токамака. Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) – слово, вошедшее в мировые языки без перевода, так же как, например, «водка», «перестройка», «спутник» или «дача». В основе токамака лежит простая идея: из какого материала ни делай сосуд для термоядерного синтеза, раскаленная плазма все равно соприкоснется с его стенками. А любой контакт плазмы с инородным телом вызывает ее немедленное затухание и прекращение термоядерной реакции (именно поэтому термоядерный реактор не может взорваться).
Значит, лучше всего окружить плазму «стеной», непроницаемой для плазмы, – из сильного магнитного поля, в котором заряды будут двигаться по окружности. Именно поэтому токамак имеет форму бублика. Идея и конструкция токамака была так проста, что окрыленный Сахаров провозгласил: «Два месяца работы Большой модели, и мировому империализму хана». Имелось в виду, что ожидавшееся быстрое решение проблемы тороидальной системы такого рода даст мощный генератор нейтронов, что позволит резко ускорить наработку трития и делящихся материалов для массового производства водородных бомб.
На деле воплотить энергетически целесообразный – то есть вырабатывающий больше, чем потребляет, – термоядерный реактор в жизнь оказалось не такой простой задачей, как представлялось сначала. Сборка первого такого на Земле экспериментального термоядерного реактора (проект ITER) началась во Франции только 28 июля 2020 года. Достроен он будет в 2023 году, первую же плазму даст лишь в 2025-м, полномасштабные эксперименты с дейтерий-тритиевой плазмой начнутся же в далеком 2035 году. Именно в этом году реактор должен доказать, что способен удерживать плазменный поток на протяжении 400 секунд, то есть бесперебойно и устойчиво работать хотя бы такое время.
Только после этого можно будет говорить о создании промышленной технологии и о ее «запуске в производство». На данный момент ITER серьезно отстает от исходного графика. Первоначально реактор должен был быть достроен в 2014 году, а первую плазму дать в 2018-м. Причин тому несколько. Во-первых, необходимость постоянных бюрократических согласований между многочисленными участниками проекта, во-вторых, поскольку реактор строится во Франции (в местечке Кадараш, в 60 км от Марселя), то физическое строительство реактора тормозилось пятью французскими локдаунами во время пандемии коронавируса (2020–2022).
Площадка ИТЭР. Фото: ITER Organization/ EJF Riche, iter.org
Бюджет проекта также серьезно превышен – и это тоже мешает строительству в срок. В 2005 году, когда была подписана декларация о строительстве реактора, его стоимость оценивалась в 13 миллиардов долларов. На данный момент потрачено уже более 20 миллиардов. Хотя по сравнению с тем, сколько человечество тратит на спортивные развлечения, инвестиции в «неисчерпаемый источник энергии» просто смехотворны. Например, грядущий чемпионат мира по футболу 2022 года в Катаре обойдется в фантастическую сумму в 200 миллиардов долларов – куда там реактору.
1380-тонная сборка, высотой в шесть этажей, и весом с четыре полностью нагруженных Boeing 747. Ее подъем был самой сложной из операций в ходе строительства ИТЭР на сегодня. iter.org
2
Проект ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor – берет свое начало в 1985 году, когда Советский Союз предложил Соединенным Штатам Америки совместно заняться работами по термоядерному синтезу с целью дать человечеству источник дешевой и чистой энергии. Позже к соглашению Горбачев-Рейган присоединились Япония, Канада и Европейское сообщество. После окончания холодной войны США покинули проект, однако программа по созданию термоядерного реактора не закрылась, а обрела новых членов – на место Штатов пришли Индия, Китай и Республика Корея.
Как известно, президент США Джордж Буш-младший был крайне озабочен зависимостью своей страны от поставок нефтепродуктов и в 2003 году вернул Америку в термоядерный проект. Однако ведущие позиции в ITER уже занял Европейский союз. Именно он несет основное финансовое бремя по строительству «искусственного солнца». На долю ЕС приходится 45,6 % расходов, остальные шесть участников проекта вносят по 9 %.
Термоядерный реактор в Кадараше не предназначен для выработки электричества. Его цель – не производство конечного продукта, хотя в теории от реактора, который строится на юге Франции, можно было бы запитать электричеством до 200 000 домов, пару крупных городов. Впрочем, это ведь демонстрационный реактор: серийные на той же технологии смогут в одиночку запитать целую страну средних размеров.
Цель реактора ITER – доказать саму возможность мощной и непрерывной термоядерной реакции. Как мы уже говорили выше, первая проблема термоядерных реакторов – на запуск реакции пока что тратится больше энергии, чем получается в итоге. Первоначальная задача – перешагнуть число Q, которым обозначается соотношение между произведенной термоядерной энергией и энергией, затраченной на то, чтобы стимулировать реакцию. На данный момент самый успешный показатель Q равен 0,67. На токамаке JET (Объединенный европейский токамак) в Великобритании удалось из 24 мегаватт затраченной тепловой энергии получить 16 мегаватт термоядерной. Максимальная задача токамака во Франции – превысить число Q в пять раз, то есть на 50 мегаватт, потраченных на «поджиг плазмы», получить 500 мегаватт термоядерной энергии.
Первая проблема (неэффективность реакции) прямо вытекает из второй проблемы (длительность реакции). Фактически, плазма просто не успевает просуществовать настолько длительное время, чтобы «дать мощность». Цель экспериментов в Кадараше – достичь отметки в 400 секунд непрерывной реакции. Следующий рубеж – 1000 секунд. Рекорд на данный момент составляет 100 секунд. Он был достигнут в 2017 году на китайском экспериментальном токамаке EAST. За год до этого команде корейского токамака KSTAR удалось удерживать плазму в стабильном состоянии на протяжении 70 секунд. В идеале термоядерная реакция, как и реакция на любой АЭС, должна длиться непрерывно.
Дейтерий (2H) и тритий (3H) вступают в реакцию, образуя в результате реакции гелий-четыре (4He) и огромное количество «свободных» нейтронов, которые покидают магнитную ловушку и разогревают воду в стенках токамака, превращая ее в пар, который уже в свою очередь движет турбины, вырабатывающие электричество. Дейтерия на планете огромное количество, и его легко можно добыть из морской воды. А вот с тритием уже возникают проблемы: этот изотоп водорода встречается невероятно редко, и в основном получают его как побочный продукт ядерной энергетики из реакторов, для «замедления» которых используется тяжелая вода.
Вот только реакторы подобной конфигурации уже уходят в прошлое, в мире их осталось около 30 штук (20 – в Канаде, 4 – в Южной Корее, 2 – в Румынии и 2 – в Индии). В среднем каждый из них производит около 100 граммов трития в год. Если цена дейтерия на свободном рынке на данный момент составляет всего 16 долларов за грамм, то за грамм трития уже придется отдать порядка 30 000 долларов. Термоядерному реактору во Франции при выходе на проектную мощность потребуется около 200 килограммов трития в год. К тому же складывается парадоксальная ситуация: для того чтобы работал «чистый» термоядерный реактор, необходимы «грязные» ядерные реакторы. Запастись тритием сильно «впрок» тоже нельзя – период его полураспада составляет чуть более 12 лет, после этого он превращается в гелий-три.
Как мы видим, термоядерный синтез может стать для человечества пропуском в мир энергетического изобилия. Спустя поколение вся экономическая структура мировой промышленности может измениться, мы больше не будем знать недостатка в мощностях и сможем позволить себе воплощать в жизнь любые технические проекты, которые пожелаем. С другой стороны, путь к созданию действительно работающего и, главное, стабильно работающего термоядерного реактора очень долог, тернист и сложен, и нет никакой гарантии в том, что внедрение технологии «искусственного солнца» в жизнь произойдет в середине XXI века, а не в начале века XXII.
Не исключено, что не только мы, но и наши дети не успеют подобрать ключи к энергетическому раю. Но это не значит, что не стоит упорствовать и сворачивать с пути туда. В конце концов между выходом «Из пушки на Луну» Жюля Верна (1865) и высадкой человека на Луне (1969) тоже прошло сто лет.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
