Наука 2020-03-22 12:58 Олег Фея

Термоядерні мрії

Чи замінить термоядерний синтез інші джерела енергії?

35 країн; €20 млрд; 23 тис. т наукового обладнання; 2 тис. одночасно залучених працівників; 150 млн градусів — цільова температура плазми всередині. І обіцянки запуску, які переносяться з десятиліття в десятиліття. Наразі — грудень 2025-го, попередня дата — кінець минулого року. А комерційне використання взагалі не передбачається. Міжнародний експериментальний термоядерний реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) має шанси стати найбільшим науковим «довгобудом» усіх часів, переплюнувши Великий адронний колайдер. Хоча ідея походить з 1950-х років, та в наші домівки все ще надходить електроенергія з вугілля, газу, ядерних реакцій, вітряків, а не омріяний термояд. Чи є в нас шанс дочекатися «дешевої і майже безкінечної» енергії термоядерного синтезу?


Ідея термоядерної енергії — синтез легких атомів у більш складні, на відміну від атомної енергетики, яка працює на реакціях розпаду атомного ядра. В АЕС під час розпаду ізотопів урану-235 утворюються два або три менші ядра, а також нейтрони та альфа-частинки. Водночас виділяється теплова енергія, що випаровує воду, а пара крутить турбіну, яка вже вироб­ляє електроенергію для наших домівок. Якщо на кожному кроці ланцюгової реакції кількість нейтронів, що влучають в ізотопи, приблизно однакова, то вона контрольована. Перший ядерний реактор — «Чиказьку дровітню» — побудували 1942 року, він виробляв усього 200 Вт теплової енергії. Та головне — засвідчив, що контрольована ядерна реакція цілком можлива. Неконтрольовану реакцію три роки після того показали над Хіросімою та Нагасакі. Доступною для споживачів атомна енергія стала 1954-го із запуском АЕС в радянському Обнінську.

 

Читайте також: Вівіан дю Кастель: «Енергетика стає зброєю впливу та геополітичного тиску»


Шлях термоядерної енергетики виявився більш тернистим, хоча її принцип зрозуміли ще в 1940-х. Під час злиття легких ядер виділяється чимало енергії. Наприклад, під час реакції ядра дейтерію (протон і нейтрон) та тритію (протон і два нейтрони) зливаються в ядро гелію (два протони і два нейтрони), а один зайвий нейтрон відлітає з великою швидкістю. Щоб ядра злилися, їх треба наблизити на відстань, порівняну з їхніми розмірами, — це значно менше за радіус атома. Тоді сильна взаємодія, яка тримає вкупі протони й нейтрони в ядрах, подолає електричне відштовхування і зможе «склеїти» частинки. Як виходить із назви, сильна взаємодія — найпотужніша із чотирьох фундаментальних взаємодій у природі (окрім неї, ще слабка, електромагнітна та гравітаційна взаємодії), проте вона значно слабшає відразу за межами атомного ядра, де панує електричне відштовхування між позитивно зарядженими протонами. Подолати цей «кулонівський бар’єр» і зблизити ядра дуже важко: для цього вони мають рухатися зі швидкістю, відповідною нагріву до мільярда градусів. Навіть у центрі Сонця немає умов для цього за температури «лише» 15 млн градусів і велетенського тиску. Та наша зірка все ж горить завдяки термоядерному синтезу. Хоча атомні ядра й не можуть достатньо зблизитися, екстремальні умови збільшують імовірність квантового тунелювання їх через кулонівський бар’єр. 


У термоядерній бомбі необхідні для запуску реакції температуру й тиск забезпечують вибухом невеликого ядерного заряду. У найпотужнішій американській термоядерній бомбі Castle Bravo, випробуваній 1954 року на атолі Бікіні, спочатку вибухав урановий і плутонієвий пристрій, який стискав і нагрівав ємність з ізотопом літію.

Мета команди ITER — показати принципову можливість отримувати енергію з ядерного синтезу. Реактор не вироблятиме електроенергії — якщо він дасть потрібні результати, то потім будуть побудовані промислові термоядерні реактори 

 

Результуюча потужність вибуху 15 Мт тротилового еквіваленту на третину складалася з енергії, що виділилася внаслідок ядерного синтезу. У радянській «цар-бомбі» потужністю 58,6 Мт синтез запускався ядерним зарядом 1,5 Мт. Пекельний гриб виріс на 67 кілометрів у висоту, ударна хвиля тричі обігнула планету, а шибки вилітали на відстань 800 км від епіцентру вибуху. Її випробовування на Новій Землі 1961 року засвідчило, що можна зробити термоядерну бомбу будь-якої потужності. Звичайно, стало спокусливо поставити таку силу для конструктивніших цілей. Уже 1954-го в СРСР побудували перший токамак (скорочено від «тороїдальна камера з магнітними котушками») — пристрій для утримання високотемпературної плазми й подальшої генерації енергії з ядерного синтезу. Проте з «мирним термоядом» і досі не все так просто.


Сьогодні у світі побудовано близько 300 токамаків, найбільший з яких споруджується — той самий ITER. Токамак — це кільце, великий «бублик» або «пончик», з нього відкачують повітря та інші гази, а потім його наповнюють сумішшю дейтерію і тритію. Усередині кільця потужні магніти генерують електричний струм, який нагріває суміш газів, перетворюючи її на плазму. У плазмі всередині токамака завдяки високій температурі атоми звільняються від своїх електронів, перетворюючи її на середовище для зіткнень атомних ядер і подальшого синтезу — усе як у центрі Сонця. Тільки ще гарячіше: температура плазми в ITER змінюватиметься від 120 млн до 230 млн градусів. Утримуватиметься вона за допомогою магнітного поля, а вже за кілька десятків сантиметрів від розпеченої плазми міститимуться велетенські надпровідні магніти, охолоджені майже до абсолютного нуля. Проект передбачає, що з деякої температури плазма почне розігрівати сама себе: високошвидкісні ядра гелію, утворені під час синтезу дейтерію та тритію, зіштовхуватимуться з іншими частинками, передаючи їм свою енергію. Оскільки значну частину енергії синтезу забирають нейтрони, які погано взаємодіють з плазмою, конструкція токамака передбачатиме надійний захист від радіації. У майбутньому ці нейтрони можуть стати джерелом теплової потужності на термоядерних електростанціях. 

 

Читайте також: Енергетика чисел. Роль статистики в енергетичній політиці та безпеці країни


Мета команди ITER — показати принципову можливість отримувати енергію з керованого ядерного синтезу. Реактор не вироблятиме електроенергії — якщо він дасть потрібні результати, то потім будуть побудовані промислові термоядерні реактори. Заплановані параметри вражають. Навколо токамака в науковому центрі Кадараш на півдні Франції будують систему охолодження, розраховану на понад гігават теп­лової потужності. Потужність самої реакції має сягати 500–600 МВт, що вдесятеро більше за потужність імпульсу, який запустить реакцію. Деніел Джессбі, дослідник із Принстонської лабораторії з фізики плазми, зазначає, що сам ITER споживатиме близько 600 МВт енергії, тому з погляду енергетичного балансу він «збитковий». До того ж, на його думку, електроенергія з таких систем не буде надто екологічною, як зазначають розробники: для синтезу використовують тритій, період напіврозпаду якого 12 років, а будь-який витік з вакуумної камери реактора може супроводжуватися радіоактивним пилом. Захиститися від усього нейтронного випромінювання навряд чи вдасться, тому за радіоактивним фоном термоядерні реактори будуть не чистішими за звичні нам ядерні. До того ж радіоактивні захисні матеріали доведеться якось утилізувати. Є проблема і з кількістю тритію.


Дейтерій і тритій — ізотопи водню. Невелика кількість важкої води, до складу якої замість водню входять атоми дейтерію, є у звичайній воді. Промислове виробництво цього ізотопу — десятки тисяч тонн на рік, тимчасом як світові запаси тритію — лише 25 кг. Для запуску ITER знадобиться щонайменше три кілограми тритію, а потім споживання знизиться до кілограма на рік. Якщо промислові реактори, що замінять цей токамак, матимуть такі самі витрати, то видобутку тритію просто не вистачить для їхньої роботи. 


Найбільшим активним термоядерним реактором є Об’єднаний європейський токамак (Joint European Torus, JET) у Великій Британії. За імпульсу потужністю 24 МВт він видає 16 МВт теплової потужності з плазми, що є рекордним показником у світі. Параметри JET дають надію, що ITER, який має схожу конструкцію, таки сягне запланованої десятикратної ефективності. Проте і стосовно JET важко сказати про загальну ефективність: якщо врахувати базове споживання електроенергії, то зазначені 16 МВт — лише кілька відсотків сумарних енергетичних витрат. Що ж до температури плазми, то рекорд 100 млн градусів належить китайському Експериментальному надпровідному токамаку (Experimental Advanced Superconductiong Tokamak, EAST). До того вони змогли утримати плазму температурою 50 млн градусів протягом 102 секунд, що також стало світовим рекордом. 

 

Читайте також: Енергетика: нові правила для старих проблем


Альтернатив ITER небагато. Американська компанія Lockheed Martin будує компактний реактор, який «розміститься в кузові вантажівки», а його потужності вистачить на «живлення електроенергією 80-тисячного міста». Їхній проект передбачає утримувати суміш дейтерію і тритію в невеликому просторі за допомогою потужного магнітного поля. Суміш розігріватимуть електромагнітні імпульси. Хоча компанія планувала показати демоверсію реактора торік улітку, та робота над ним досі не завершена. 


Плани побудови ITER оголосили ще 1985-го, а сьогодні, згідно із заявами прес-центру колаборації, він готовий на 70%. Навіть якщо ITER 2025-го запустить реакцію, його команді знадобляться роки, щоб довести реактор до запланованих показників. І в разі успіху мине ще 15–20 років на побудову комерційних реакторів. З моменту, коли 1939-го Ліза Майтнер та Отто Ган відкрили ядерну ланцюгову реакцію, минуло лише 3 роки до побудови експериментального реактора й 15 років до пуску першої атомної електростанції. За оптимістичним сценарієм, у наші домівки піде електроенергія з термоядерного синтезу через більше ніж 100 років після побудови першого токамака. Цілком можливо, що на той момент завдяки розвитку альтернативних джерел енергії потреби у велетенських і коштовних термоядерних реакторах не буде. А мрії про безкінечну й дешеву енергію з водню так і залишаться мріями науковців та письменників-фантастів середини минулого століття.