Главная / Наука и технологии / Чистый термояд: зачем 35 стран строят самый большой в мире термоядерный реактор

Чистый термояд: зачем 35 стран строят самый большой в мире термоядерный реактор

Чистый термояд: зачем 35 стран строят самый большой в мире термоядерный реактор0

Встреча глав США и СССР в 1985 году подарила миру один из самых претенциозных технологических проектов: экспериментальный термоядерный реактор ITER («путь»). В Провансе, на юге Франции, тыс ученых и строителей готовят комплекс для научных экспериментов, способных открыть населению земли дорогу к термоядерным электростанциям будущего.

Термоядерный синтез (процесс соединения или объединения ранее разрозненных вещей или понятий в целое или набор) давно потряхивает умы. В теории, такие электростанции могут быть вчетверо эффективнее современных атомных, при этом еще чище и безопаснее. У них нет проблем с неконтролируемыми цепными реакциями и сильно радиоактивными отходами, а топливом может служить морская вода.

Над многомиллиардным спецпроектом работают: ЕС (46% расходов), США, Россия, Индия, Китай, Южная Корея и Япония (абсолютно каждая – по 9%). Если обойдется без очередных задержек и проблем с финансированием, то ITER заработает уже в конце 2025 – 40 лет спустя переговоров Рональда Рейгана и Михаила Горбачева в Женеве.

Как это работает

Термоядерная энергетика пробует скопировать процессы, которые происходят внутри звезд: там, при сверхвысоких температурах и давлении, соединяются ядра изотопов водорода и выделяют огромную энергию.

Чтобы достигнуть этого на Земле, необходимы особые условия (например, температура в 10 раз немалая, чем в ядре Солнца) – их создают в термоядерном реакторе. В его основе, по последней мере, по самой распространенной схеме, которую использует ITER – токамак, по форме напоминающая бублик вакуумная камера с магнитными катушками. 1-ые токамаки появились в СССР еще в 1960-х, для ITER построят самый большой токамак в мире объемом 830 м3.

В токамак запускают дейтерий и тритий, и разогревают до температур выше 150 миллионов градусов Цельсия. Газ превращается в плазму, а чтобы плазма таковой температуры не сожгла все вокруг, ее удерживают на расстоянии от стенок магнитным полем; буквально через саму плазму пропускают ток. Мощное магнитное поле обеспечивают, в личную очередь, сверхпроводящие магниты, которые нужно охладить в вакуумной камере до фактически абсолютного нуля – 268°C. Физически же они будут находиться буквально в полметре от раскаленной до 150 000 000°C плазмы. Обеспечить беспроблемную работу техники в таких критериях — сложнейшая инженерная задача.

Современные токамаки (тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза) выделяют меньше энергии, чем расходуется на разогрев системы, для генерации их пока приспособить не получается. Лучший результат – у английского JET, который возвращает до 67% затраченной энергии. За счет масштаба конструкции ITER (это будет громила высотой с девятиэтажный дом, и примерно такого же диаметра), создатели рассчитывают, что реактор (устройство, действующее на основе различных типов реакций (физических, химических, биологических и т. п.) Виды реакторов: Биореактор — прибор, осуществляющий перемешивание культуральной среды в) сумеет выделять энергии в десять раз больше, чем расходуется на нагрев плазмы (отдавать 500 МВт с 50 МВт). Данный момент – принципиальный для построения термоядерных электростанций в будущем.

Но ITER не будет создавать электричество: вся выделенная энергия уйдет лишь на нагрев стенок токамака. Хотя если опыты с ITER пройдут успешно, следующим этапом (с 2030 года) станет макет термоядерного реактора для электростанций, DEMO – они должны появиться в 2040-50-х годах. О желании выстроить такие реакторы заявили Индия, Россия, Южная Корея и Япония.

Важная цель ITER – показать возможность генерации энергии термоядерным реактором. Для этого нужно будет обеспечить управляемое производство «горящей плазмы (ионизированный газ, одно из четырёх классических агрегатных состояний вещества)» (с ней реакция синтеза будет самоподдерживающейся) и достигнуть самовоспроизводства трития, достаточно редкого изотопа использующегося в качестве горючего. Кроме того, ITER должен продемонстрировать, насколько готовы современные технологии к строительству коммерческих термоядерных электрических станций, а также позволит оценить их надежность и безопасность.

Безопасность – одно из главных преимуществ термоядерных реакторов над привычными ядерными. Здесь невозможна цепная реакция с последствиями: в случае заморочек плазма мгновенно остынет и затухнет, отмечают в ITER.

Куда лучше обстоят дела и с радиоактивностью горючего: тритий, слабый источник бета-излучения, будет генерироваться прямо в реакторе. Конструкция реактора при этом подразумевает несколько барьеров для возникающих в процессе работы радиоактивных веществ. Период полураспада радиоактивных отходов для большинства изотопов в термоядерном реакторе составляет около 10 лет, тогда как для отдельных элементов отработанного ядерного топлива эти значения могут составлять тысячи и даже миллионы лет.

С нуля до 63%

В ноябре 1985 года (внесистемная единица измерения времени, которая исторически в большинстве культур означала однократный цикл смены сезонов (весна, лето, осень, зима)) на встрече в Женеве фавориты США и СССР договорились о совместном исследовании термоядерной энергии в мирных целях – это и стало началом спецпроекта. Уже через год был Евроатом, СССР, США и Японией подписали договор.

Работа над конструкцией ITER началась в 1988 году и длилась до утверждения финальной версии в 2001-м.

В 2003 году к консорциуму для работы (может означать: Работа — функционирование какой-либо системы — механизма, биоценоза, организма или общности, — а также её части) над ITER присоединились Китай и Южная Корея, в 2005-м – Индия. Тогда же избрали и место для строительства: окрестности Сен-Поль-ле-Дюранс в Провансе, Франция, близ научно-исследовательского центра ядерной энергетики Кадараш.

Межгосударственное соглашение о сотворении ITER подписали министры стран-участниц 21 ноября 2006 года, а в октябре 2007 начала работу организация ITER Organization – юридическое лицо, ответственное за строительство, работу и следующий демонтаж реактора.

Площадку начали готовить еще в 2007-м, строить – в 2010-м. Параллельно страны-участницы стали работать над элементами спецкомплекса ITER: Индия строит для проекта криостат, в США разрабатывают центральную магнитную катушку (ее силы хватит чтобы поднять авианосец ), ЕС и Корея готовят вакуумную камеру, Китай с РФ поставляют сверхпроводники (всего понадобится 100 000 км таких проводников), часть катушек и разные электротехнические компоненты, Япония готовит катушки тороидального поля.

По состоянию на конец июня 2019 года спецпроект был готов «более чем на 63%», отмечали в ITER Organization. Завершены более 70% построек, началась установка первых компонентов самого реактора. Полноценно фаза спец монтажа должна начаться в следующем году, по мере постройки и доставки всех нужных компонентов: например, Китай 23-го сентября построил первую 400-тонную магнитную катушку, ее доставят на место строительства ITER к декабрю.

По трудности и технологичности ITER превосходит многие масштабные научные стройки века, в том числе Большой адронный коллайдер.

«Коллайдер – это вообще всего лишь вакуумная установка, в которой ускоряется пучок протонов, это задачка более простого уровня. ITER – это физика плазмы, а плазма – это столько степеней свободы, столько неустойчивостей, со всеми ними нужно справиться, – рассказал Радио Свобода глава российского агентства спецпроекта ITER Анатолий Красильников. – С точки зрения большого кол-ва параметров, которые надо одновременно учитывать, ITER, конечно, намного более непростая проблема, чем коллайдер. Ну и ITER подороже».

Столь сложный международный спецпроект на базе передовых технологий действительно дорог. Если на старте бюджет спецпроекта оценивался в €5 млрд, то к 2017-му он уже успел перешагнуть отметку в €20 млрд: общую цифру трудно оценить, так как правительства сами определяют уровень расходов на те или иные составляющие, ими производимые. Участники проекта перечисляют не деньги, а передают построенные составляющие.

Не только ITER

Бублик-токомак – не единственный вариант для термоядерного синтеза, рассматриваемый наукой. Альтернативные методы изучают не только в крупных государственных учреждениях, но и в небольших стартапах. Их на данный момент в мире, по оценкам Bloomberg, больше двух десятков. Однако пока о больших прорывах и контролируемом производстве энергии в коммерческих масштабах пока гласить не приходится.

Ближайший аналог токомака – стелларатор, также торообразная, «бубликоподобная» система, при всем собственном сходстве не требующая поддерживать в плазме ток. У подобной установки свои плюсы и минусы, самая большая и успешная на данный момент – немецкая Wendelstein 7-Х. На ней немецкие исследователи установили ряд рекордов, хотя по чертам и масштабу до ITER ей далеко.

Стартап Commonwealth Fusion Systems, основанный выходцами из MIT, обещает выстроить гораздо меньший, более дешевый, при этом ненамного менее действенный, чем ITER, реактор на токомаке – SPARC. Как это им удастся? Ученые надеются применить новые высокотемпературные сверхпроводники и собираются показать решения уже в ближайшие два года.

Еще один необычный вариант – термоядерный синтез с инерционным удержанием. В нем используются лазеры, со всех сторон «обжимающие» и нагревающие маленькую топливную капсулу дейтерия импульсами, имитируя процессы, происходящие при взрыве водородной бомбы. Наикрупнейшая в мире научная организация, применяющая этот подход – Национальный центр зажигания (National Ignition Facility) в США, там для этих целей употребляют 193 пучка мощных лазеров.

Канадская General Fusion и американская Tri Alpha Energy употребляют собственные, еще более экзотические способы термоядерного синтеза но увы, до сих пор готовых к коммерческой эксплуатации решений пока никто не представил.

Для чего и когда?

Критики считают, что термоядерный синтез – слишком дорогое и коммерчески неэффективное предприятие, а вкладывать призывают, к примеру, в возобновляемую энергетику. В ITER не отрицают ее важности, но подчеркивают, что создание новейших чистых источников энергии с постоянным уровнем генерации (не зависящем, скажем, от числа солнечных дней или силы ветра), остается принципиальной задачей. Термоядерная энергия не заменит возобновляемую, но будет вместе с ней служить еще более успешной альтернативой традиционным «грязным» источникам энергии (скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие), считают в ITER.

Вопрос только лишь когда это произойдет. Первый пуск запланирован на декабрь 2025 («наилучшая технически достижимая датой»”) с использованием водорода, далее будет добавляться гелий, дейтерий и в конце концов полноценная работа на дейтерии-тритии планируется в 2035-м: лишь тогда можно будет достигнуть десятикратной отдачи по мощности. Даты завершения проекта уже сдвигались, и с учетом его трудности навряд ли можно быть уверенным, что не случится новых задержек. К тому же, невзирая на все попытки, на нынешнем этапе развития технологий термоядерный синтез может оказаться очень дорогим для промышленного применения.

Скептики ехидничают, что «термояд – источник энергии грядущего, и всегда останется таковым». Уже через несколько лет человечество сможет остудить пыл скептиков или вновь подкрепить их позиции.

Беря во внимание сложность темы, навряд ли кто-то готов гарантировать сроки в схожих проектах. Один из пионеров отрасли, советский академик Лев Арцимович, на вопрос о том, когда же появится термоядерная энергетика, отвечал просто напросто: «Тогда, когда она станет действительно необходима человечеству».

Напомним, что к 2040 году Китай начнет производить энергию термоядерного синтеза. Пока Китай готовится перезапустить после 3-х летнего моратория свою заглохшую ядерную программу, ученые из лаборатории района Хэфэй вместо грубого расщепления атомов занимаются ядерным синтезом, мечтая «поместить Солнце в коробку».

Ранее ЭлектроВести писали, что изучение Google похоронило мечту о холодном ядерном синтезе. Потратив 10 млн баксов на эксперименты, компания не обнаружила никаких доказательств, что ядерный синтез можно выполнить при комнатной температуре. Тем не менее, инвестиции не пропали даром.

Понравилась статья - лайкни и оцени поставив звездочку ниже:

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан