Термояд? Поджигай!

Термояд? Поджигай!

Несколько десятилетий подряд мы были уверены, что нас ожидает светлое будущее, обеспеченное безграничными источниками дешевой энергии. И вот мы становимся свидетелями первых, робких шагов к практической реализации тех энергетических процессов, которые происходят в звездах. термоядерным синтезом сейчас занялись многие — от серьезных госучреждений до крошечных стартапов.

Третий этаж корпуса NIF (National Ignition Facility, Национальный центр термоядерного синтеза). За широким окном аудитории видны конструкции самой гигантской в мире лазерной системы, сложное нагромождение переплетенных между собой труб. Ряд за рядом эти трубы полуметрового диаметра утрамбованы в минимальный объем с такой же аккуратностью, с какой лежат сигареты в пачке, — правда, эта пачка не меньше, чем три футбольных поля. Через ее центр проходит пешеходная галерея, увешанная километрами толстенных кабелей. По стенам вверх и вниз змеятся широкие металлические короба. Разобраться во всем этом хозяйстве просто невозможно, так что приходится принять на веру, что эти трубы не пропускают через себя ни воду, ни газ, а построены для того, чтобы служить каналами для распространения 192 отдельных лазерных пучков. Когда лазерные лучи вырвутся из этого тесного пространства, то, усилившись более чем в квадрильон раз, они сойдутся на одной-единственной мишени размером с канцелярский ластик. Это будет короткий импульс с немыслимой концентрацией энергии. В этот момент, который протянется не дольше одной двадцатимиллиардной доли секунды, атомы водорода будут сдавлены с такой силой, что внутри мишени запустится тот самый процесс, который непрерывно происходит внутри Солнца.


Безопасное будущее для традиционной ядерной энергетики

От термоядерной экономики, если ее роды будут благополучны, нас отделяет как минимум два десятилетия. В свете недавней аварии в Японии мир осознал потребность в новых технологиях, которые позволили бы обеспечить подлинную безопасность ядерных энергоустановок. Вот лишь несколько многообещающих идей.

Мини-реакторы. Орегонская компания NuScale Power предлагает 45-мегаваттные модульные миниреакторы. Это вполне автономные реакторы контейнерного типа, которые удобно монтировать в разных местах, а можно и стыковать в единый комплекс. «Вы ставите один модуль, а когда энергопотребление чуть подрастет, пристыковываете к нему еще один и так далее», — говорит Хосе Рейес, главный технолог компании. Поскольку каждый реакторный комплекс размещается под землей в собственном бетонном бункере, такие миниреакторы могут оказаться менее опасными в сейсмоактивных зонах.

Ядерная батарейка. Может ли компактная ядерная установка служить полноценным энергоисточником для отрезанного от электромагистрали жилища или автономного производства? Об этом думают в компании Hyperion Power Generation в Санта Фе, штат Нью Мексико. Их 25-мегаваттный ядерный силовой агрегат имеет размеры дачной котельной, а установить его можно где угодно. Предполагается, что заменять топливо в таком блоке потребуется раз в 8 — 10 лет. Для охлаждения таких реакторов используется не вода, а свинцово-висмутовый сплав, так что в аварийной ситуации радиоактивный пар не вырвется в атмосферу. Как говорит Дебора Блэкуэлл, вице-президент компании, отвечающий за связи с общественностью, «радиоактивное топливо просто стечет к дну реактора и там затвердеет, превратившись в массивное пресс-папье, и не выпустив угрозу наружу».

Торий. Этого радиоактивного металла в земной коре содержится раза в 3−4 больше, чем урана, а главное, в отличие от урана, после его использования в атомном реакторе из него нельзя получить веществ, годных для применения в ядерном оружии. В принципе, торий можно было бы растворять в смеси жидких солей и использовать для энергопитания так называемых ядерных реакторов на солевых расплавах. Такие реакторы, весьма устойчивые к угрозе аварийного расплавления горячей зоны, еще не доведены до уровня массового коммерческого использования, однако некоторые эксперты полагают, что в подобных установках можно было бы дожигать ториевые радиоактивные отходы, отличающиеся длительным периодом полураспада. При этом сами такие реакторы производят существенно меньшее количество отходов, чем традиционные реакторы на легкой воде.


Звучит все это весьма убедительно, но только человечество уже целых полвека принимало на веру посулы, связанные с термоядерным синтезом. Если бы термояд заработал именно так, как обещают оптимисты, он смог бы стать источником чистой энергии, которая век за веком обеспечивала бы все потребности человечества. Но вот вам уже первое препятствие — такой второстепенный, казалось бы, элемент, как топливо. Дейтерий и тритий, изотопы водорода, отчаянно сопротивляются любым попыткам их объединить, несмотря на тепловую энергию, стальные конструкции и финансирование.

Один из основателей компании Helion Energy Джон Слоу в экспериментальных мастерских в Редмонде, штат Вашингтон. Как утверждает Слоу, простота и дешевизна его реактора дает ему большую фору в гонках к термоядерной энергетике. «Никто же вам не выдаст на эксперименты 10 или 20 миллиардов долларов».

Прошлой осенью в Калифорнии физики Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе с помощью NIF совершили прорыв, использовав всю фантастическую мощь лазеров. Агрегат стоимостью $3,5 млрд сфокусировал 121 кДж УФ-излучения (6% максимальной проектной мощности лазеров NIF) в крошечном объеме камеры с мишенью, и в результате атомы дейтерия и трития слились в атомы гелия, испустив 300 трлн высокоэнергетических нейтронов. В принципе, ядерный синтез бывал реализован и раньше, но данный эксперимент приближает ученых еще на один шаг к долгожданной победе — реакции управляемого ядерного синтеза, которая могла бы давать больше энергии, чем затрачивается на ее «поджиг».

К победе сейчас рвутся не только сверхдорогие мегапрограммы типа NIF. Немалое количество инновационных стартапов тоже начали выдавать многообещающие результаты. После нескольких десятилетий, за которые ученые почти не смогли продвинуться вперед, сейчас начинается настоящая гонка к термоядерной энергетике, в которой содной стороны участвует целая толпа мелких, но изобретательных частных «давидов», а с другой — неповоротливые, но щедро финансируемые государством «голиафы».

На установке NIF процесс синтеза с инерционным удержанием плазмы начинается с очень короткого, но слабенького лазерного импульса. Этот импульс расщепляют на 48 пучков, которые посылают на предварительные усилители, доводящие их энергию до нескольких джоулей. Далее каждый из них расщепляют еще на 4 пучка, и полученные 192 пучка по оптическим каналам подают к двум большим камерам. Там они пропускаются через две системы стеклянных усилителей, где их энергия возрастает до 20 кДж. Затем пучки покидают главное лазерное здание и с помощью зеркал, установленных в «сортировочной станции» высотой с десятиэтажный дом, разворачиваются в сферическую конфигурацию. В конце своего пути они проходят через конвертор частоты, который преобразует излучение из инфракрасного в ультрафиолетовый диапазон, а затем специальные объективы фокусируют их на мишени, установленной в центре камеры. Камера мишени установки NIF содержит топливо для реакции синтеза — это трубочка из золотого сплава, в котором находится сферическая бериллиевая капсула диаметром 2 мм с охлажденными до твердого состояния дейтерием и тритием. Взаимодействие УФ-излучения с трубочкой порождает мощное рентгеновское излучение, которое испаряет капсулу. Ударные волны, возникающие при этом, сжимают и разогревают топливо, запуская реакцию синтеза.

Надо сказать, что после недавней аварии на АЭС в Японии трудно рассчитывать на общественную поддержку в разработке любых форм ядерной энергетики. А ведь уядерного синтеза в плане безопасности есть явные преимущества перед энергетикой на основе ядерного распада. Продукты распада урана-235 радиоактивны, а вот при синтезе образуются только гелий и свободные нейтроны. Кроме того, при ядерном синтезе невозможно возбуждение неуправляемой реакции, так как сам процесс синтеза предполагает непрерывный подвод энергии извне. Любые неполадки на электростанции должны приводить к практически мгновенному прекращению реакции.

Для выработки электроэнергии, как и на любой другой электростанции, тепло, образующееся в ходе ядерной реакции, можно превратить в энергию пара, которая станет крутить паровую турбину. Разница только в том, что для ядерного синтеза не потребуются эшелоны угля, регулярные поставки урана, буровые установки, скважины, из которых качают нефть и газ, и, наконец, сеть трубопроводов, подводящих топливо к электростанциям. Дейтерий можно добывать прямо из морской воды. «Вы видите в углу эти две бутыли с водой, — говорит директор NIF Эдвард Мозес, указывая в окно на внутренний дворик. — В них запас энергии, как в целом супертанкере нефти».

А вот и куда более скромная штаб-квартира компании Helion Energy в Редмонде, штат Вашингтон. Это непарадный, скромный аналог колоссального центра NIF. Компания спряталась в пригородной глуши, ее помещение не больше приемной дантиста. Стол у входа используется в качестве верстака и завален грудами электронных компонентов. С потолка свисают колтуны из разноцветных проводов, а рабочие станции для удобства поставлены на тумбы из шлакоблоков. Идет разговор о катушке на 10 тесла, над которой здесь сейчас работают, чтобы увеличить магнитное поле в реакторе Helion.

Helion принадлежит к немалому числу термоядерных стартапов — таких как Tri Alpha Energy в Футхилл-Ранч, Калифорния, или General Fusion в Ванкувере, Британская Колумбия. Все они устремлены к той же цели, что и их гигантские государственные конкуренты. Пришло время продемонстрировать техническую реализуемость управляемого термоядерного синтеза и одним только этим фактом изменить всю картину мира в области энергетики. Некоторые из дальновидных венчурных фирм для благополучного старта обеспечили себе приличное стороннее финансирование. Так, к примеру, Tri Alpha получила от нескольких известных компаний (включая Goldman Sachs иVulcan Capital) суммарный кредит в $50 млн.

Система усилителей NIF. Вертикально расположенные стойки с импульсными лампами возбуждают атомы неодима в пластинах фосфатного стекла. При прохождении лучей через это стекло энергия возбужденных атомов идет на усиление лучей.

Техническая база компании Helion опирается на капитал в $5 млн — это средства MSNW, компании, принадлежащей Джону Слоу, профессору из Университета штата Вашингтон. Мне обещали показать то, что Слоу назвал «термоядерной машиной», — это один из элементов реактора, построенный уже в масштабе один к одному. Проехав несколько минут от штаб-квартиры до промзоны, миновав конференц-зал, мы заходим в помещение, загроможденное гигантскими металлическими деталями.

Внутри этого прототипа, составляющего почти 8 м вдлину, должны сойтись два облака плазмы — раскаленного ионизированного газа, содержащего тяжелые изотопы водорода. Встретившись в камере «сгорания», эти облака должны слиться в единый объект. Электромагнитное поле, созданное обмотками вокруг камеры сгорания, будет сжимать плазменное облако, повышая температуру и давление, пока не начнется реакция ядерного синтеза (впервые в MSNW это критическое состояние было достигнуто в 2008 году).

Роберт Хирш, старший консультант Management Information Services по энергетике, считает, что стартапы могут удивить нас своими достижениями. На них сейчас сильно давят финансовые ограничения, так что они просто вынуждены конструировать предельно простые и малогабаритные системы, однако именно эти обстоятельства могут привести к тому, что малые компании подарят человечеству чистые, простые и недорогие установки, в отличие от сложных и громоздких установок типа NIF, которые по причине своей сложности угрожают множеством разнообразных отказов.

Мне объявляют, что я могла бы прямо здесь и сейчас увидеть, как выглядит термоядерная реакция в исполнении компании Helion. «Только нужно будет поберечь уши», — говорит Филип Уоллас, президент компании, протягивая мне пару защитных наушников. Его коллеги подают на установку энергопитание. Начинается обратный отсчет времени, и когда счет доходит до нуля, раздается звук лопнувшей лампы, мелькает яркая розовая вспышка. С ликующим видом Уоллас оборачивается ко мне: «Вы только что стали свидетелем реакции ядерного синтеза».

В 1952 году Эдвард Теллер создал первую термоядерную бомбу, мощность которой в сотни раз превосходила возможности обычных атомных бомб. С тех пор ученые не отказывались от планов использовать этот процесс в мирных целях. В первых опытах с горячим синтезом плазма успевала протечь из зоны реакции быстрее, чем это следовало из расчетов, так что облако плазмы разбегалось еще до того, как в нем можно было поджечь реакцию синтеза.

Ядерный синтез на встречных облаках плазмы, реализованный в окруженной электромагнитами установке величиной с обычную комнату. Принцип работы реактора на ядерном синтезе, которым занимаются в стартапе Helion Energy, основан на взаимодействии обращенного магнитного поля, образующегося при протекании тока в плазме, с противоположно направленным внешним магнитным полем. При этом взаимодействие магнитного поля с током удерживает и сжимает плазму (т.н. пинч-эффект). Этим же магнитным полем улавливаются и высокоэнергетические ионы гелия, возникающие в результате реакции синтеза. Таким образом возвращается часть энергии, затраченной на запуск реакции ядерного синтеза.

В 1960-х перед идеей термоядерного синтеза открылись новые перспективы: в СССР построили термоядерный реактор нового типа — токамак. В этом реакторе плазменный «шнур» в виде тора сжимался и удерживался магнитными полями. С тех пор практически все международные исследования в области термоядерного синтеза шли именно по этому направлению. Экспериментальные токамаки действовали в Англии (Joint European Torus — JET) и в Японии (JT-60). На базе полученных экспериментальных данных 34 государства объединились в проекте ITER, собираясь к 2019 году построить и запустить во Франции самый большой в мире токамак, который мог бы действовать как демонстрационная энергоустановка.

Исследователи из NIF пошли по альтернативному пути, попробовав использовать для запуска реакции инерционное обжатие при воздействии лазерного излучения.


Проект электростанции LIFE

Этот проект, разработанный в стенах NIF, также предусматривает утилизацию ядерных отходов, да и в компании Helion рассматривают адаптацию своего реактора под те же задачи, планируя поскорее получить прибыль от будущих станций. С технической точки зрения эта задача несравненно проще, чем использование термояда для получения электроэнергии — хотя бы потому, что в этом случае вообще не требуется достигать «точки энергетической рентабельности» в процессе синтеза. Кроме того, этот путь обещает окончательное решение основной проблемы всей ядерной энергетики. Основываясь на данных Национальных лабораторий Сандиа, в компании Helion уже подсчитали, что с помощью 50 их установок можно было бы за 20 лет переработать все американские ядерные отходы.


Команда Helion сделала ставку на импульсное магнитное поле, они, как им кажется, нащупали едва уловимую точку в мире синтеза, где можно малыми средствами совершить исторический прорыв. Речь идет о создании надежного и недорогого реактора, которому не нужны ни прецизионно настроенные сверхмощные оптические системы, ни сложнейшая конфигурация мощных магнитных полей для удержания плазмы. В реакторе компании Helion электрические токи, протекающие в плазме, создают обращенное магнитное поле, которое направлено противоположно внешнему. Комбинация этих магнитных полей эффективно удерживает и сжимает плазменное облако. «В отличие от токамаков или NIF, реактор компании Helion получается относительно компактным и недорогим, — говорит Ричард Милрой, физик из Университета штата Вашингтон. — Энергетическим компаниям не придется вкладывать миллиарды в строительство пилотных реакторов, которые позволили бы увидеть на практике, работает ли вся система. Кроме того, — добавляет он, — в этой конструкции зона образования плазмы отделена от камеры синтеза, так что самые дорогие компоненты реактора Helion будут иметь больший ресурс работы».

Новые экспериментальные подходы сулят весьма многое, но на этих путях нас ждет еще немало проблем. Реактор компании Helion намного проще, чем реакторы ITER или NIF, но он тоже слишком маломощный, чтобы онем можно было говорить как о потенциальном энергоблоке. Как говорит Слоу, им еще предстоит увеличить в реакторе размеры зоны удержания магнитным полем и ускорить сближение плазменных облаков как минимум вдвое. На эту доводку потребуется еще $15−20 млн, а таких денег у компании Helion пока нет. Но даже если появятся необходимые средства, нет никакой гарантии, что при масштабировании этот реактор будет работать в соответствии с проектом и выдержит длительный срок эксплуатации.

Рассуждая о принципиальной возможности наладить управляемый термоядерный синтез, мы упускаем из виду более принципиальный вопрос: возможна ли вообще термоядерная энергетика? Эксперты-скептики считают, что ядерный синтез никогда не станет коммерческой реальностью. «Один из недооцененных аспектов — это огромные сложности, связанные с преобразованием энергии ядерного синтеза в удобную для использования электроэнергию, — говорит Дэйвид Леблан, физик из канадского Университета Карлтона. — Даже если мы добьемся устойчивой реакции синтеза, перед нами встанет другая задача — благополучно миновать пресловутую точку энергетической рентабельности». Пока термоядерная реакция не начнет выдавать больше энергии, чем требуется на ее запуск и поддержание, она будет оставаться всего-навсего лабораторным экспериментом.

Другие исследователи говорят, что больше всего пользы от ядерного синтеза будет, если его использовать при утилизации отходов от работы обычных атомных электростанций. В Техасском университете, в лаборатории физика Свадеша Махаджана разрабатывается гибридный реактор на основе и синтеза, и распада ядер. В нем нейтроны, возникающие в процессе синтеза, поглощаются оболочкой, в которой идет процесс ядерного распада. Вместо топлива там дожигаются радиоактивные отходы, которые остаются от работы традиционных атомных станций. «Чистая термоядерная энергетика в лучшем случае представляет собой очень долгосрочный проект, — говорит Махаджан, — зато на этой промежуточной ступени мы могли бы уже сейчас приносить определенную пользу».

Путь к победе термоядерной энергетики не обещает быть простым, однако сторонники этой идеи уверены, что он будет пройден до конца. И Мозес, и Уоллас твердо стоят на том, что ядерный синтез — ключевой компонент чистого будущего. Если они все-таки справятся, солнечная энергия в чистом виде будет создана на Земле.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2011).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.